pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2018-9-3-227-233pimi-387Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsМоделирование распыления поверхности катода ионами и быстрыми атомами в таунсендовском разряде в смеси аргон-ртуть с зависящим от температуры составомSimulation of cathode surface sputtering by ions and fast atoms in Townsend discharge in argon-mercury mixture with temperature-dependent compositionБондаренкоГ. Г.BondarenkoG. G.КристяВ. И.KristyaV. I.

Адрес для переписки: Кристя В.И. – Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, Калужский филиал, ул. Баженова, 2, г. Калуга 248000.    e-mail: kristya@bmstu-kaluga.ru

Address for correspondence: Kristya V.I. – Bauman Moscow State Technical University, Kaluga Branch, Bazhenov str., 2, Kaluga 248000, Russia     e-mail: kristya@bmstu-kaluga.ru

 

kristya@bmstu-kaluga.ruСавичкинД. О.SavichkinD. O.ЖуковскийП.ŻukowskiP.Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»РоссияNational Research University Higher School of EconomicsRussian FederationМосковский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Калужский филиалРоссияBauman Moscow State Technical University, Kaluga BranchRussian FederationЛюблинский технологический университетПольшаLublin University of TechnologyPoland20181709201893227233Copyright © Бондаренко Г.Г., Кристя В.И., Савичкин Д.О., Жуковский П., 20182018Бондаренко Г.Г., Кристя В.И., Савичкин Д.О., Жуковский П.Bondarenko G.G., Kristya V.I., Savichkin D.O., Żukowski P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/387

Смесь аргона и паров ртути используется в качестве рабочего газа в различных типах газоразрядных осветительных ламп. Целью данной работы являлось построение модели, описывающей перенос электронов, ионов и быстрых атомов в слаботочном разряде в смеси аргон-ртуть, а также определение зависимости их вкладов в распыление катода, ограничивающее срок службы прибора, от температуры. Для моделирования движения электронов мы применяли метод статистического моделирования Монте-Карло. Перенос ионов и возбужденных атомов с целью сокращения затрат расчетного времени описывали на основе макроскопических уравнений, что позволило найти плотности их потоков у поверхности катода. Затем с использованием метода Монте-Карло находили энергетические спектры ионов и быстрых атомов, образующихся при столкновениях ионов с атомами смеси, у поверхности катода, а также эффективные коэффициенты распыления катода каждым типом частиц.

Расчеты показали, что плотности потоков ионов аргона и быстрых атомов аргона, возникающих при столкновениях ионов аргона с медленными атомами аргона, не зависят от температуры, в то время как плотности потоков ионов ртути и быстрых атомов аргона, образуемых ими, быстро возрастают при увеличении температуры вследствие увеличения содержания ртути в смеси.

Представлены результаты моделирования энергетических спектров ионов и быстрых атомов у поверхности катода. Они демонстрируют, что при малом содержании атомов ртути в смеси порядка 10−3 распыление катода происходит, главным образом, ионами ртути, так как их энергии существенно превосходят энергии других типов частиц, причем их вклад в распыление уменьшается со снижением температуры смеси.

The mixture of argon and mercury vapor is used as the background gas in different types of gas discharge illuminating lamps. The aim of this work was development of a model, describing transport of electrons, ions and fast atoms in the one-dimensional low-current gas discharge in argon-mercury mixture, and determination of the dependence of their contributions to the cathode sputtering, limiting the device service time, on the temperature.

For simulation of motion of electrons we used the Monte Carlo method of statistical modeling, whereas the ion and metastable excited atom motion, in order to reduce the calculation time, we described on the basis of their macroscopic transport equations, which allowed to obtain their flow densities at the cathode surface. Then, using the Monte Carlo method, we found the energy spectra of ions and fast atoms, generated in collisions of ions with mixture atoms, at the cathode surface and also the effective coefficients of the cathode sputtering by each type of particles.

Calculations showed that the flow densities of argon ions and fast argon atoms, produced in collisions of argon ions with slow argon atoms, do not depend on the temperature, while the flow densities of mercury ions and fast argon atoms generated by them grow rapidly with the temperature due to an increase of mercury content in the mixture.

There are represented results of modeling of the energy spectra of ions and fast atoms at the cathode surface. They demonstrate that at low mercury content in the mixture of the order of 10–3 the energies of mercury ions exceed that of the other types of particles, so that the cathode is sputtered mainly by mercury ions, and their contribution to sputtering is reduced at a mixture temperature decrease.

газоразрядная осветительная лампаслаботочный разрядсмесь аргон–ртутьэнергетические спектры ионов и атомовраспыление катодаgas discharge lamplow-current dischargeargon-mercury mixtureion and atom energy spectracathode sputteringReferencesSamukawa S., Hori M., Rauf S., Tachibana K., Bruggeman P., Kroesen G., Whitehead J.C., Murphy A.B., Gutsol A.F., Starikovskaia S., Kortshagen U., Boeuf J.-P., Sommerer T.J., Kushner M.J., Czarnetzki U., Mason N. The 2012 plasma roadmap. J. Phys. D: Appl. Phys., 2012, vol. 45, no. 25, pp. 253001. doi: 10.1088/0022-3727/45/25/253001Samukawa S., Hori M., Rauf S., Tachibana K., Bruggeman P., Kroesen G., Whitehead J.C., Murphy A.B., Gutsol A.F., Starikovskaia S., Kortshagen U., Boeuf J.-P., Sommerer T.J., Kushner M.J., Czarnetzki U., Mason N. The 2012 plasma roadmap. J. Phys. D: Appl. Phys., 2012, vol. 45, no. 25, pp. 253001. doi: 10.1088/0022-3727/45/25/253001Schwieger J., Baumann B., Wolff M., Manders F., Suijker J. Backcoupling of acoustic streaming on the temperature field inside high-intensity discharge lamps. J. Phys.: Conf. Ser., 2015, vol. 655, pp. 012045. doi: 10.1088/1742-6596/655/1/012045Schwieger J., Baumann B., Wolff M., Manders F., Suijker J. Backcoupling of acoustic streaming on the temperature field inside high-intensity discharge lamps. J. Phys.: Conf. Ser., 2015, vol. 655, pp. 012045. doi: 10.1088/1742-6596/655/1/012045Hadrath S., Beck M., Garner R.C., Lieder G., Ehlbeck J. Determination of absolute Ba densities during dimming operation of fluorescent lamps by laser-induced fluorescence measurements. J. Phys. D: Appl. Phys., 2007, vol. 40, no. 1, pp. 163–167. doi: 10.1088/0022-3727/40/1/009Hadrath S., Beck M., Garner R.C., Lieder G., Ehlbeck J. Determination of absolute Ba densities during dimming operation of fluorescent lamps by laser-induced fluorescence measurements. J. Phys. D: Appl. Phys., 2007, vol. 40, no. 1, pp. 163–167. doi: 10.1088/0022-3727/40/1/009Kristya V.I., Fisher M.R. Monte Carlo simulation of gas ionization in the interelectrode gap of a lowcurrent discharge in an argon-mercury mixture. Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys., 2010, vol. 74, no. 2, pp. 277–280. doi: 10.3103/S106287381002036XKristya V.I., Fisher M.R. Monte Carlo simulation of gas ionization in the interelectrode gap of a lowcurrent discharge in an argon-mercury mixture. Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys., 2010, vol. 74, no. 2, pp. 277–280. doi: 10.3103/S106287381002036XSobota A., van den Bos R.A.J.M., Kroesen G., Manders F. Transition between breakdown regimes in a temperature-dependent mixture of argon and mercury using 100 kHz excitation. J. Appl. Phys., 2013, vol. 113, no. 4, pp. 043308. doi: 10.1063/1.4789598Sobota A., van den Bos R.A.J.M., Kroesen G., Manders F. Transition between breakdown regimes in a temperature-dependent mixture of argon and mercury using 100 kHz excitation. J. Appl. Phys., 2013, vol. 113, no. 4, pp. 043308. doi: 10.1063/1.4789598Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I. Modeling of the effect of temperature and field-induced electron emission from the cathode with a thin insulating film on the Townsend discharge ignition voltage in argon-mercury mixture. Vacuum, 2016, vol. 129, pp. 188–191. doi: 10.1016/j.vacuum.2016.01.008Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I. Modeling of the effect of temperature and field-induced electron emission from the cathode with a thin insulating film on the Townsend discharge ignition voltage in argon-mercury mixture. Vacuum, 2016, vol. 129, pp. 188–191. doi: 10.1016/j.vacuum.2016.01.008Bogaerts A. Comprehensive modelling network for dc glow discharges in argon. Plasma Sources Sci. Technol., 1999, vol. 8, no. 2, pp. 210–229. doi: 10.1088/0963-0252/8/2/003Bogaerts A. Comprehensive modelling network for dc glow discharges in argon. Plasma Sources Sci. Technol., 1999, vol. 8, no. 2, pp. 210–229. doi: 10.1088/0963-0252/8/2/003Hagelaar G.J.M., Kroesen G.M.W., Klein M.H. Energy distribution of ions and fast neutrals in microdischarges for display technology. J. Appl. Phys., 2000, vol. 88, no. 5, pp. 2240–2245. doi: 10.1063/1.1287758Hagelaar G.J.M., Kroesen G.M.W., Klein M.H. Energy distribution of ions and fast neutrals in microdischarges for display technology. J. Appl. Phys., 2000, vol. 88, no. 5, pp. 2240–2245. doi: 10.1063/1.1287758Capdeville H., Pedoussat C., Pitchford L.C. Ion and neutral energy flux distributions to the cathode in glow discharges in Ar/Ne and Xe/Ne mixtures. J. Appl. Phys., 2002, vol. 91, no. 3, pp. 1026–1030. doi: 10.1063/1.1430891Capdeville H., Pedoussat C., Pitchford L.C. Ion and neutral energy flux distributions to the cathode in glow discharges in Ar/Ne and Xe/Ne mixtures. J. Appl. Phys., 2002, vol. 91, no. 3, pp. 1026–1030. doi: 10.1063/1.1430891Liu C., Wang D. Monte Carlo simulation of ions inside a cylindrical bore for plasma source ion implantation. J. Appl. Phys., 2002, vol. 91, no. 1, pp. 32– 35. doi: 10.1063/1.1421239Liu C., Wang D. Monte Carlo simulation of ions inside a cylindrical bore for plasma source ion implantation. J. Appl. Phys., 2002, vol. 91, no. 1, pp. 32– 35. doi: 10.1063/1.1421239Yoon S.J., Lee I. Theory of the lifetime of the MgO protecting layer in ac plasma display panels. J. Appl. Phys., 2002, vol. 91, no. 4, pp. 2487–2492. doi: 10.1063/1.1433928Yoon S.J., Lee I. Theory of the lifetime of the MgO protecting layer in ac plasma display panels. J. Appl. Phys., 2002, vol. 91, no. 4, pp. 2487–2492. doi: 10.1063/1.1433928Ito T., Cappelli M.A. Ion energy distribution and gas heating in the cathode fall of a direct-current microdischarge. Phys. Rev. E, 2006, vol. 73, no. 4, pp. 046401. doi: 10.1103/PhysRevE.73.046401Ito T., Cappelli M.A. Ion energy distribution and gas heating in the cathode fall of a direct-current microdischarge. Phys. Rev. E, 2006, vol. 73, no. 4, pp. 046401. doi: 10.1103/PhysRevE.73.046401Ito T., Cappelli M.A. On the production of ener- getic neutrals in the cathode sheath of direct-current discharges. Appl. Phys. Lett., 2007, vol. 90, no. 10, pp. 101503. doi: 10.1063/1.2711416Ito T., Cappelli M.A. On the production of ener- getic neutrals in the cathode sheath of direct-current discharges. Appl. Phys. Lett., 2007, vol. 90, no. 10, pp. 101503. doi: 10.1063/1.2711416Wang H., Sukhomlinov V.S., Kaganovich I.D., Mustafaev A.S. Simulations of ion velocity distribution functions taking into account both elastic and charge exchange collisions. Plasma Sources Sci. Technol., 2017, vol. 26, no. 2, pp. 024001. doi: 10.1088/1361-6595/26/2/024001Wang H., Sukhomlinov V.S., Kaganovich I.D., Mustafaev A.S. Simulations of ion velocity distribution functions taking into account both elastic and charge exchange collisions. Plasma Sources Sci. Technol., 2017, vol. 26, no. 2, pp. 024001. doi: 10.1088/1361-6595/26/2/024001Sukhomlinov V.S., Mustafaev A.S., Murillo O. Ion energy distribution function in the wall layer at a negative wall potential with respect to the plasma. Phys. Plasmas, 2018, vol. 25, no. 1, pp. 013513. doi: 10.1063/1.5017309Sukhomlinov V.S., Mustafaev A.S., Murillo O. Ion energy distribution function in the wall layer at a negative wall potential with respect to the plasma. Phys. Plasmas, 2018, vol. 25, no. 1, pp. 013513. doi: 10.1063/1.5017309Kristya V.I., Savichkin D.O., Fisher M.R. Modeling of cathode sputtering in a low-current gas discharge in a mixture of argon with mercury vapor. J. Surf. Investig., 2016, vol. 10, no. 2, рp. 441–444. doi: 10.1134/S1027451016020300Kristya V.I., Savichkin D.O., Fisher M.R. Modeling of cathode sputtering in a low-current gas discharge in a mixture of argon with mercury vapor. J. Surf. Investig., 2016, vol. 10, no. 2, рp. 441–444. doi: 10.1134/S1027451016020300Bondarenko G.G., Fisher M. R., Kristya V.I. Simulation of charged and excited particle transport in the low-current discharge in argon-mercury mixture. J. Phys.: Conf. Ser., 2012, vol. 406, pp. 012031. doi: 10.1088/1742-6596/406/1/012031Bondarenko G.G., Fisher M. R., Kristya V.I. Simulation of charged and excited particle transport in the low-current discharge in argon-mercury mixture. J. Phys.: Conf. Ser., 2012, vol. 406, pp. 012031. doi: 10.1088/1742-6596/406/1/012031Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I. Influence of temperature on the ionization coefficient and ignition voltage of the Townsend discharge in an argon– mercury vapor mixture. Technical Physics, 2017, vol. 6, no. 2, pp. 223–229. doi: 10.1134/S1063784217020050Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I. Influence of temperature on the ionization coefficient and ignition voltage of the Townsend discharge in an argon– mercury vapor mixture. Technical Physics, 2017, vol. 6, no. 2, pp. 223–229. doi: 10.1134/S1063784217020050Phelps A.V. The application of scattering cross sections to ion flux models in discharge sheaths. J. Appl. Phys., 1994, vol. 76, no. 2, pp. 747–753. doi: 10.1063/1.357820Phelps A.V. The application of scattering cross sections to ion flux models in discharge sheaths. J. Appl. Phys., 1994, vol. 76, no. 2, pp. 747–753. doi: 10.1063/1.357820Andersen H.H., Bay H.L. Sputtering by Particle Bombardment I. Physical Sputtering of Single-Element Solids, ed. R. Behrisch. Berlin–Heidelberg, Springer, 1981, p. 145.Andersen H.H., Bay H.L. Sputtering by Particle Bombardment I. Physical Sputtering of Single-Element Solids, ed. R. Behrisch. Berlin–Heidelberg, Springer, 1981, p. 145.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.