Struktur und Dynamik negativer Sauerstoff-Ionen in induktiv angeregten Radiofrequenz-Entladungen

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In dieser Arbeit wurde an einer GEC-Referenzzelle mit gepulster induktiver Radiofrequenz-Anregung mit Hilfe verschiedener diagnostischer Methoden die räumliche Verteilung und das zeitliche Verhalten der Ladungsträger im Afterglow an verschiedenen Edelgas-Sauerstoff-Entladungen (Ar, Kr und Ne) untersucht. Durch die Verwendung einer modifizierten induktiven Anregung konnten Messungen erstmals über einen weiten Bereich der Plasmadichte und der Gasmischungen durchgeführt werden. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag dabei auf der Diagnostik von negativen Sauerstoffionen mittels laserinduziertem Photodetachment an einer unkompensierten Langmuirsonde und der Identifikation der Bildungs- und Verlustprozesse negativer Ionen während der Entladung und im Afterglow des zerfallenden Plasmas.

Durch zusätzliche Untersuchungen mit einem Plasmamonitor, Sonden und Emissionsspektroskopie wurde die Bedeutung metastabiler Edelgasatome an den Bildungsprozessen negativer Ionen geklärt und fundamentale Plasmaparameter erschlossen. Mit diesen Daten konnte mit einem einfachen globalen Ratengleichungs-Modell die Reaktionskinetik der negativen Ionen beschrieben werden. Durch die Entwicklung dieses globalen Modells können Teilchendichten wichtiger Spezies in der stationären Entladung und zeitliche Verläufe der Teilchendichten im Afterglow berechnet und beschrieben werden. Für die Ratenkoeffizienten der Elektronenstoßprozesse werden im globalen Modell Maxwell-Verteilungen der Elektronenenergie angenommen. Messungen mit einer passiv kompensierten Langmuirsonde bestätigen, dass die Annahme einer Maxwell-Verteilung bei der Elektronenenergie-Verteilungsfunktion für den Bereich der untersuchten Entladungsbedingungen weitgehend berechtigt ist.

Durch Messungen mit laserinduziertem Photodetachment bei λ=1064 nm konnte der Anteil der O₂^--Ionen bestimmt werden. Es zeigt sich, dass der Anteil der O₂^--Ionen während der Entladung unter 6% liegt.
Der durch Molekülanionen hervorgerufene Anteil am Messsignal bei der Detektion der O^- ist, auch wegen des gegenüber O^- viermal geringeren Wirkungsquerschnittes für Photodetachment bei 532 nm, vernachlässigbar.

Wie ortsaufgelöste Messungen mit laserinduziertem Photodetachment zeigen, sind die Anionen aufgrund des positiven Plasmapotentials während der Entladung und auch für eine längere Zeit im Afterglow im Zentrum der Entladung eingeschlossen. Dies wird zusätzlich durch zeitaufgelöste
Messungen der Anionen mit einem Plasmamonitor bestätigt. Erst nach dem Übergang zu einem elektronenfreien Ionen-Ionen-Plasma im späteren Afterglow können die Anionen das Entladungszentrum verlassen und den Plasmamonitor erreichen. Der Übergang zu einem Ionen-Ionen-Plasma kann auch an den Verläufen der Elektronensättigungsströme, die mit einer Langmuirsonde im Afterglow gemessen wurden, beobachtet werden. Die Elektronen können aufgrund eines durch Anionenanwesenheit reduzierten ambipolaren Feldes und ihrer höheren Beweglichkeit gegenüber den Ionen das Plasma schnell verlassen. Dies kann bei hohen Anionenanteilen zu einer schnellen Abnahme der Elektronendichte im Afterglow und letztlich zu einem Ionen-Ionen-Plasma führen. Beim Übergang zu einem Ionen-Ionen-Plasma kommt es zu einem abrupten Zusammenbruch der Elektronenströme.

Die zeitlichen Verläufe der O^--Anteile wurden für verschiedene Edelgas-Sauerstoff-Mischungen und unterschiedliche Plasmadichten bestimmt. Es zeigen sich sehr unterschiedliche zeitliche Strukturen in den Verläufen der Anionenanteile. Durch Vergleiche der Messungen mit Berechnungen des globalen Modells findet man für die Verläufe der Anionenanteile im Afterglow einen starken Einfluss von der zeitlichen Abnahme der O₂(a¹Δ_g)-Dichte und des atomaren Sauerstoffs.

Bei Messungen in Edelgas-Sauerstoff-Entladungen mit hoher Plasmadichte wird kurz nach Ausschalten der Entladung ein Anstieg in der Anionendichte beobachtet. Dieser Anstieg lässt sich mit dem globalen Modell nur mit einer zusätzlichen Reaktion für die Bildung von negativen Ionen zeigen. Das globale Modell wurde um diese zusätzliche Bildungsreaktion von O^- über hoch angeregte Sauerstoffmoleküle¹⁾ ergänzt. Diese Reaktion hat keine Schwellenenergie und wird erst mit fallender Elektronentemperatur wirksam. Mit dem zusätzlichen Bildungskanal für O^- sind die Berechnungen des globalen Modells mit den Messung in Übereinstimmung zu bringen.

Durch Messungen der optischen Emission konnten elektronisch angeregte Atome identifiziert werden, die durch gegenseitige Neutralisation von Kationen und Anionen erzeugt wurden. Auch bei diesen Messungen lassen sich bei hohen Plasmadichten nur unter Berücksichtigung der zusätzlichen Bildungsreaktion für O^- Übereinstimmungen zwischen Messungen und Berechnungen der Emission im Afterglow erzielen.

Ein möglicher Einfluss metastabiler Edelgasatome auf die Bildung von O₂^M und damit auf die Bildung von O^- wurde durch Photodetachment-Messungen in Krypton-Sauerstoff- und Neon-Sauerstoff-Entladungen untersucht. Ein Energieaustausch von metastabilen Edelgasatomen mit O₂ unter Bildung von O₂^M konnte nicht festgestellt werden. Auch eine Überprüfung dieses Bildungskanals mit dem globalen Modell zeigte keine Hinweise auf eine Bildung von O₂^M durch Stöße von metastabilen Edelgasatomen mit O₂.

Der Populationsverlust von metastabilen Edelgasatomen im Afterglow der Entladung wurde mittels zeitaufgelöster Appearance Potential Massenspektroskopie gemessen. Durch molekularen Sauerstoff werden metastabile Edelgasatome effizient abgeregt (Quenching). Die Quenching-Raten wurden für verschiedene Edelgas-Sauerstoff-Mischungen bestimmt. Das effiziente Quenching metastabiler Argonatome konnte zusätzlich durch die Beobachtung der Entladung mittels einer CCD-Kamera gezeigt werden.

Weitere Messungen der Anionenanteile wurden in der Diffusionskammer einer Helikonentladung durchgeführt, in der durch einen besseren Einschluss des Plasmas längere Diffusionszeiten herrschen. In der Diffusionskammer beobachtet man ähnliche zeitliche Verläufe der Anionenanteile wie in der GEC-Entladung. Nur unter Berücksichtigung der Bildung von O^- über dissoziative Elektronenanlagerung an O₂^M-Moleküle können die Messungen durch das globale Modell beschrieben werden.
Die Messungen an den zwei verschiedenen Entladungen (GEC-Referenzzelle mit induktiver Rf Anregung und Diffusionskammer einer Helikonentladung) bestätigen die Annahme des weiteren Bildungsprozesses für O
über O₂^M, der erst mit fallender Elektronentemperatur wirksam wird.