This work deals with general drifts in the sphere of plasma cutting and with technological possibilities of plasma ray with intention on individual parameters of plasma designations. Here is described temporary state and direction of development of consumer parts, burners and sources for plasma cutting. Detailed adumbration of direction of development is described in the peroration.

<p>Izmereni su Stark-ovi pomeraji maksimuma 8 spektralnih linija neutralnog helijuma u gustoj niskotemperaturnoj plazmi impulsnog luka. Osobine izvora plazme, sem postizanja visoke elektronske koncentracije, obezbeđuju relativno jednostavan način određivanja Stark-ovog pomeraja. Izvr&scaron;ena je dijagnostika plazme, pri čemu je određena elektronska koncentracija u intervalu od (6.2 &minus; 70) &middot; 10²² m^&minus;3 i elektronska temperatura u intervalu (16400 &minus; 21400) K. Eksperimenatlne vrednosti Stark-ovih pomeraja upoređene su sa do sada objavljenim eksperimentalnim rezultatima kao i sa rezultatima teorijskih pristupa. Proveren je uticaj Debye-evog ekraniranja na pomeraj ovih linija. Dobijeni rezultati ukazuju na popravku Stark-ovog pomeraja uračunavanjem<br />uticaja Debye-evog ekraniranja, kao i potrebu korigovanja semiklasičnih teorijskih vrednosti elektronske sudarne polu-polu&scaron;irine i pomeraja.</p> / <p>The results of an experimental study of the Stark shifts AB of 8 neutral helium lines are presented. The plasma sour-ce was a linear pulsed arc with plasma electron&nbsp; density in the range (6.2 &minus; 70) &middot; 10 ²² m^&minus;3 and plasma temperature in the range (16400 &minus; 21400) K. Details of the experimental setup that enables a relatively quick&nbsp; Stark shift determination technique is presented. The results of these measurements are presented together with the corresponding plasma parameters and compared to other experimental and theoretical data. The influence of Debye shielding is carefully examined from the semiclassical point of view. The comparison of experimental&nbsp; results obtained in this work with the semiclassical results suggests that Debye shielding has an important role on higher electron densities. Also, based on all the available experimental data, appropriate correction factors are suggested for the semiclassical Stark shift calculations for the examined lines.</p>

Le travail effectué dans le cadre de cette thèse porte sur l’étude des plasmas magnétisés et nonmagnétisés produits par des structures coaxiales qui font office à la fois de propagateur d’onde et de coupleur à impédance adaptée au plasma, mais aussi de sonde d’investigation et de caractérisation de la décharge. Une attention particulière est accordée à l’efficacité de couplage entre l’onde électromagnétique et la décharge et de production d’espèces, et ce pour différentes conditions opératoires : fréquence d’excitation (352 et 2450 MHz),configuration magnétique, géométrie de l’applicateur. L’analyse quantitative et comparative présentée dans ce travail s’appuie aussi bien sur une approche expérimentale que théorique. Les modèles analytiques développés etla simulation électromagnétique réalisée permettent d’extraire à partir des mesures expérimentales, d’une partl ’impédance du plasma décorrélée de celle de la structure de propagation de l’onde, et d’autre part, l’absorption globale et locale de l’onde. Du point de vue expérimental, des techniques et méthodes appropriées ont donc été développées et mises en oeuvre comme, par exemple la méthode de changement de plan d’impédance, ou encore l’auto-interférométrie. L’étude paramétrique, menée sur un domaine de pression étendu sur plusieurs décades(10-4 – 10 Torr) et pour une gamme de puissances allant de un à plusieurs centaines de watts, a permis une investigation minutieuse du type de couplage (capacitif, inductif, résistif) qui est fortement dépendant des caractéristiques de la décharge et donc des paramètres opératoires. Leur mise en corrélation, associée à l’analyse des modes de propagation dans un plasma magnétisé, a permis de localiser avec plus de précision les zones de couplage et d’identifier les principaux mécanismes d’absorption de l’onde mis en jeu. Les principaux résultats obtenus confirment une meilleure efficacité de production d’espèces chargées à une fréquence plus élevée (2450MHz), et la présence d’une population d’électrons chauds plus conséquente ainsi qu’une extension spatiale du plasma lorsque la fréquence est plus faible (352 MHz). Comme la technologie 352 MHz à état solide est plus avantageuse du point de vue du coût des composants, comparée à 2450 MHz, elle pourrait s’avérer intéressante pour des procédés visant la production d’espèces chimiquement actives. Toutefois, le couplage, peu efficace, de type capacitif induit par la diminution de la fréquence, requiert une attention accrue au niveau de la configuration du coupleur. Pour le développement en amont des coupleurs, les résultats issus de ce travail de thèse et les modèles analytiques développés devraient constituer un outil déterminant dans la conception de sources plasma micro-onde performantes. / The work done within the framework of this thesis focuses on the study of magnetized and nonmagnetizedplasmas produced by coaxial structures that serve both as wave propagator and as plasma matchedimpedance coupler but also as investigation and characterization probe of the discharge. Special attention isgiven to the efficiency of coupling between the electromagnetic wave and the discharge and of speciesproduction, for different operating conditions: excitation frequency (352 and 2450 MHz), magnetic configurationand geometry of the applicator. Quantitative and comparative analysis presented in this work is based both on anexperimental and a theoretical approach. Developed analytical models and conducted electromagnetic simulationare set in connection with the experimental measurements in order to determine, on the one hand, the plasmaimpedance de-embedded of the wave propagation structure and, on the other hand, the global and localabsorption of the wave. From the experimental point of view, appropriate techniques and methods have thereforebeen developed and implemented such as, for example, the impedance plane shift method, or autointerferometry.The parametric study, conducted on a pressure range extended over several decades (10-4 - 10Torr) and power ratings from one to several hundred watts, led to a thorough investigation of the coupling type(capacitive, inductive, resistive ) which is highly dependent on the discharge characteristics and thus of theoperating parameters. Their correlation, combined with the analysis of propagation modes in a magnetizedplasma, has helped locate more accurately the areas of coupling and to identify the main power absorptionmechanisms involved. The main results obtained for the two frequencies confirm a better production efficiencyof charged species at a higher frequency (2450 MHz), the presence of a more substantial hot electron populationand a spatial expansion of the plasma when the frequency is low (352 MHz). As the solid state 352 MHztechnology is more advantageous compared to that at 2450 MHz from the viewpoint of the cost of thecomponents, it could be interesting for processes aiming to produce active chemical species. However itsinefficient coupling, of capacitive type induced by frequency reduction, requires an increased attention at thelevel of coupler configuration. For upstream development of couplers, the analytical models and theexperimental results obtained in this thesis should be a key tool in the design of high-performance microwaveplasma sources.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

<p>Opisani&nbsp; su&nbsp; detalji&nbsp; konstrukcije&nbsp; novog&nbsp; izvora&nbsp; plazme, u impulsnom režimu, konstruisanog za&nbsp; potrebe ekscitacija linija berilijuma u&nbsp; prisustvu berilijumske&nbsp; pra&scaron;ine.&nbsp; Konstrukcija&nbsp; izvora&nbsp; je ostvarena&nbsp; na&nbsp; takav&nbsp; način&nbsp; da&nbsp; je&nbsp; sprečeno prodiranje&nbsp; čestica&nbsp; pra&scaron;ine&nbsp; u&nbsp; atmosferu&nbsp; laboratorije.&nbsp; Opisane&nbsp; su&nbsp; dodatne&nbsp; 2&nbsp; cevi&nbsp; za pražnjenje&nbsp; konstruisane&nbsp; od&nbsp; Al2O3 i&nbsp; SiO 2 . Pronađeni&nbsp; su&nbsp; i&nbsp; opisani&nbsp; optimalni&nbsp; uslovi&nbsp; za&nbsp; rad<br />izvora&nbsp; plazme.&nbsp; Vrednosti&nbsp; elektronske&nbsp; koncentracije,&nbsp; određene&nbsp; nakon&nbsp; maksimuma<br />struje,&nbsp; kori&scaron;ćenjem&nbsp; vodonikove&nbsp; balmer&nbsp; beta linije,&nbsp; kreću&nbsp; se&nbsp; u&nbsp; opsegu&nbsp; 1,16-9,2&nbsp; ∙10<br />22&nbsp; m -3 . Elektronska temperatura je određena&nbsp; na&nbsp; osnovu relativnih&nbsp; intenziteta&nbsp; linija&nbsp; dva&nbsp; uzastopna jonizaciona&nbsp; stanja&nbsp; istog&nbsp; elementa&nbsp; i&nbsp; kreće&nbsp; se&nbsp; u opsegu&nbsp; 10&nbsp; 500-15&nbsp; 500&nbsp; K.&nbsp; Prikazane&nbsp; su snimljene&nbsp; linije&nbsp; berilijuma,&nbsp; osim&nbsp; rezonantnih. Dato&nbsp; je&nbsp; poređenje&nbsp; snimljenih&nbsp; linija&nbsp; sa postojećim&nbsp; teorisjkim&nbsp; podacima.&nbsp; Dve&nbsp; linije berilijuma&nbsp; koje&nbsp; se&nbsp; pojavljuju&nbsp; sa&nbsp; zabranjenom komponentom su prikazane prvi put. Pokazano je&nbsp; da&nbsp; postoji&nbsp; tipičan&nbsp; trend&nbsp; zavisnosti&nbsp; odnosa dozvoljene&nbsp; i&nbsp; zabranjene&nbsp; komponente,&nbsp; kao&nbsp; i rastojanja&nbsp; između&nbsp; položaja&nbsp; maksimuma intenziteta ove dve komponente, od elektronske koncentracije,&nbsp; koji&nbsp; se&nbsp; javlja&nbsp; kod&nbsp; linija&nbsp; sa zabranjenim&nbsp; komponentama,&nbsp;&nbsp;&nbsp; &scaron;to&nbsp; govori&nbsp; o<br />mogućnosti ove linije za primenu u dijagnostici plazme.</p> / <p>Construction&nbsp; details&nbsp; of&nbsp; new&nbsp; plasma&nbsp; source,&nbsp; running in pulsed regime,&nbsp; for beryllium spectral line&nbsp; studies,&nbsp; in&nbsp; the&nbsp; presence&nbsp; of&nbsp; beryllium&nbsp; dust particles are presented.&nbsp; The construction of the source&nbsp; was&nbsp; realised&nbsp; in&nbsp; such&nbsp; a&nbsp; way&nbsp; that&nbsp; it prevented&nbsp; the&nbsp; ingress&nbsp; of&nbsp; dust&nbsp; particles&nbsp; into&nbsp; the laboratory&nbsp; atmospher.&nbsp; Construction&nbsp; details&nbsp; and<br />testing&nbsp; of&nbsp; BeO&nbsp; discharge&nbsp; tube&nbsp; in&nbsp; comparison with&nbsp; SiO2 and&nbsp; Al2O3 discharge&nbsp; tubes&nbsp; are&nbsp; presented,&nbsp; also.&nbsp; Optimal&nbsp; conditions&nbsp; for&nbsp; plasma source operation&nbsp; and beryllium line studies are found.&nbsp; The&nbsp; electron&nbsp; density&nbsp; measured&nbsp; after discharge current maximum is determined from&nbsp; the peak separation of the hydrogen Balmer beta<br />spectral&nbsp; line,&nbsp; and&nbsp; the&nbsp; electron&nbsp; temperature&nbsp; is&nbsp; determined&nbsp; from&nbsp; the&nbsp; ratios&nbsp; of&nbsp; the&nbsp; relative&nbsp; intensities&nbsp; of&nbsp; Be&nbsp; spectral&nbsp; lines&nbsp; emitted&nbsp; from successive&nbsp; ionized&nbsp; stages&nbsp; of&nbsp; atoms.&nbsp; Maximum values&nbsp; of&nbsp; electron&nbsp; density&nbsp; and&nbsp; temperature&nbsp; are measured&nbsp; to&nbsp; be&nbsp; 9.3∙1022 m -3 and&nbsp; 16&nbsp; 800&nbsp; K, respectively.&nbsp; The&nbsp; recorded&nbsp; spectral&nbsp; lines&nbsp; of beryllium,&nbsp; other&nbsp; then&nbsp; resonant&nbsp; lines,&nbsp; are&nbsp; presented. The lines&nbsp; with forbidden component are&nbsp; described&nbsp; for&nbsp; the&nbsp; first&nbsp; time.&nbsp; The&nbsp; functional dependence of the wavelength separation range and&nbsp; peak&nbsp; intensity&nbsp; ratio&nbsp; of&nbsp; these&nbsp; lines&nbsp; upon<br />electron&nbsp; number&nbsp; density&nbsp; suggests&nbsp; the&nbsp; complex profile of the forbidden and allowed line, which can be used for diagnostics of low-temperature beryllium containing plasmas.</p>

Οι πηγές πλάσματος επαγωγικής ζεύξης (Inductively Coupled Plasma Sources – ICP’s), παρέχουν πλάσμα υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων σε χαμηλή πίεση και έχουν ευρεία εφαρμογή στη σύγχρονη βιομηχανία ημιαγωγών και την κατεργασία επιφανειών. Σε πολύ χαμηλές πιέσεις, (~mTorr), οι εκκενώσεις πλάσματος παρουσιάζουν ιδιαίτερη συμπεριφορά όσον αφορά τη διείσδυση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και την αλληλεπίδραση κύματος-σωματιδίου: Η ανώμαλη επιδερμική διείσδυση (anomalous skin effect) και η συντονισμένη αλληλεπίδραση κύματος-σωματιδίου όταν υπερτίθεται στατικό μαγνητικό πεδίο (resonant wave-particle interaction) είναι δύο φαινόμενα τυπικά σε αυτές τις εκκενώσεις. Η κατανόηση και μαθηματική ανάλυση αυτών των ιδιαίτερα περίπλοκων φαινομένων, ώστε να προσομοιωθούν με ακρίβεια αλλά και χωρίς χρονοβόρες υπολογιστικά διαδικασίες οι πηγές πλάσματος επαγωγικής ζεύξης, αποτελεί μια σύγχρονη επιστημονική και υπολογιστική πρόκληση. Στα πλαίσια αυτά, στην παρούσα διατριβή τέθηκε ως στόχος η αξιοποίηση της υπάρχουσας επιστημονικής γνώσης στον τομέα της υπολογιστικής προσομοίωσης πλάσματος, για την ανάπτυξη ταχύτατων προσομοιώσεων των πηγών πλάσματος επαγωγικής ζεύξης, διασφαλίζοντας ταυτόχρονα την εξαγωγή έγκυρων συμπερασμάτων: Η προσέγγιση αυτή συνίσταται στη διατύπωση υπόθεσης (μοντέλου), τον έλεγχό της σε σχέση με υπάρχοντα δεδομένα και την επαναδιατύπωσή της μέχρις ότου το μοντέλο να κριθεί επαρκές. Αρχικά αναπτύχθηκε ένα ρευστοδυναμικό μοντέλο πλάσματος βασισμένο στην υπόθεση ψευδουδετερότητας και αμφιπολικής διάχυσης των φορέων φορτίου, προκειμένου να προσομοιωθεί η ενισχυμένης μαγνητικής διαπερατότητας πηγή επαγωγικής ζεύξης MaPE–ICP. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης συγκρίνονται με τα πειραματικά στοιχεία προηγούμενων ερευνητών για εκκενώσεις Αργού και εξετάζεται η ικανότητα του ρευστοδυναμικού μοντέλου να παρέχει μια στοιχειώδη ποσοτική περιγραφή πλάσματος επαγωγικής ζεύξης σε χαμηλή πίεση. Η αξιοπιστία του ρευστοδυναμικού μοντέλου εξελίσσεται περεταίρω, με την ενσωμάτωση μιας αποτελεσματικής αριθμητικής επίλυσης της κινητικής εξίσωσης Boltzmann για τα ηλεκτρόνια. Τα αποτελέσματα της υβριδικής προσομοίωσης για εκκένωση Αργού πίεσης 30 mTorr στον αντιδραστήρα MaPE–ICP συγκρίνονται τόσο με αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα όσο και με τα προηγούμενα αποτελέσματα της ρευστοδυναμικής προσομοίωσης και εξετάζεται η βελτίωση της ποιοτικής συμφωνίας όσον αφορά την επίδραση των παραμέτρων με ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε ένα ρευστοδυναμικό μοντέλο εκκενώσεων αίγλης τύπου ECWR (Electron Cyclotron Wave Resonance) βασισμένο σε προκαθορισμένες οριακές συνθήκες για το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Προσομοιώθηκε ένα διάκενο με πλάσμα Αργού σε πίεση 15 mTorr (μονοδιάστατο μοντέλο) και τα αποτελέσματα ελέγχθηκαν έναντι αναλυτικής θεωρίας, πειραματικών δεδομένων και αποτελεσμάτων προσομοίωσης Particle In Cell/Monte Carlo (PIC/MC). Επιπρόσθετα, τα αποτελέσματα προσομοίωσης για μια εκκένωση Αργού σε πίεση 1 mTorr εντός κυλινδρικού αντιδραστήρα τύπου ECWR (δισδιάστατο μοντέλο), συγκρίνονται με τα αποτελέσματα προσομοίωσης και πειραματικά στοιχεία. Τέλος, το μοντέλο έχει επεκταθεί για να περιλάβει την διάδοση του πλάσματος που παράγεται από μια τυπική πηγή πλάσματος τύπου ECWR σε μια περιοχή διάχυσης. Τα αποτελέσματα για εκκένωση Αργού πίεσης 5 mTorr συγκρίνονται με τα αντίστοιχα αποτελέσματα ενός μοντέλου σφαιρικής διάχυσης πλάσματος και εν προκειμένω εξετάζεται η πλήρης επεκτασιμότητα του εισαχθέντος ρευστοδυναμικού μοντέλου ECWR σε διεργασίες πλάσματος. / Inductively Coupled Plasma Sources (ICP’s) are capable of producing high density-low pressure plasmas in a variety of applications for the semiconductor and material processing industry. In the mTorr range, ICP discharges exhibit an extraordinary behaviour concerning the electromagnetic field propagation and wave-particle interaction: Anomalous skin effect and resonant wave-particle interaction within a superimposed static magnetic field consist two of the most typical phenomena. The efficient comprehension and mathematical description of such a complex gas discharge in order to fast and accurately simulate ICP sources, is still a challenging task. Within this context, the thesis focuses on evaluating the existing scientific knowledge in plasma computational modeling in order to develop not only rapidly converging but reliable ICP simulations: The implementation methodology consists on formulating an hypothesis (model) and repetitively inquiring its accuracy by checking the simulation results against existing experimental and/or other simulation data. The continuation of the model re-formulation process depends on the accuracy of the simulation results. Initally a simulation of a Magnetic Pole Enhanced (MaPE)-ICP plasma source was developed, under the assumptions of plasma quasineutrality and ambipolar diffusion. The simulation results were checked against the experimental data of previous workers for Argon discharges and the ability of the model to provide an elementary quantitative description of low pressure ICP sources was scrutinized. The validity of the fluid model was enhanced with the incorporation of a time effective numerical solution of the Boltzmann transport equation for electrons. Simulation results of the hybrid model were compared to the previous fluid simulation results and existing experimental data, for a 30 mTorr Argon discharge in the MaPE–ICP reactor. The major improvements of the qualitative agreement in regard to the effect of parameters with particular interest are discussed. Moreover, a fluid model of ECWR (Electron Cyclotron Wave Resonance) discharges, based on predefined boundary conditions for the electromagnetic field, was developed: The simulation results for a 15 mTorr Argon plasma within a slab (1-dimensional model) were checked against the particle in cell/Monte Carlo (PIC/MC) simulation results that can be found in the literature and also compared to the analytical theory and experimental data. In addition, the model was further developed to simulate realistic geometries as a cylindrical ECWR reactor (2-D) and the data were also compared to both simulation results and experimental data of other researchers. Finally, the model was extended in order to simulate plasma propagation from a typical ECWR plasma source to a diffusion region. The simulation results for an Argon plasma generated from a cylindrical ECWR source in a processing chamber at 5 mTorr were presented in order to verify the feasibility of model application in ECWR plasma processes.