Плазма газоразрядных источников света низкого давления - Миленин В.М.
ISBN 5-288-00727-6
Скачать (прямая ссылка):
Глава 4
ПЛАЗМА. ДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРЯДА
Вопроо об оообенноотях работы газоразрядного источника овета в динамичном режиме (например, импульоно-периодическгі разряд или разряд переменного тока повышенной чаототы) ум довольно длительное время обоуждаетоя в специальной литературе. Факта возрастания при повышенной частоте питания светоотдачи газоразрядных дамп оказалось вполне достаточно, чтобы привлечь внимание последователей к такого типа разрядам. Наибольшие диокуооии вызывали причины роота оветоотдачі и в оообеннооти роль плазмы иоточника овета в повышении эф* фективности генерации излучения. Выяснению ооновных физических процеооов, протекающих в плазме слаботочных динамических разрядов и приводящих, в чаотнооти, к увеличению овето-вой отдачи иоточника света низкого давления, поовяшена эта глава.
1. Воздействие периодичеокого возмущения тока I на плазменные процеооы
Прежде чем перейти к обсуждению результатов исследования овойств плазмы динамичеокого разряда, остановимся на качественном рассмотрении того, что происходит в плазме при переходе от отационарного к динамичеокому разряду.
Одно из важнейших овойств динамичеокого разряда заключается в том, что целый ряд физичеоких процеооов, определяющих овойства плазмы и однозначно связанных о внешними параметрами разряда в условиях его отационарнооти,получает дополнительную степень свободы - возможнооть изменения путем варьирования параметров модуляции тока разряда при тех же
144
внешних условиях (давлении газа, радиуое разрядной трубки, вводимой в плазму электричеокой мощнооти). Напомним, что динамическим разрядом мы условились называть нестационарный периодический разряд, в котором частота изменения тока (о ) больше чаототы ионизации (о*) (деионизации) в плазме и меньше частоты установления функции распределения электронов по скоростям.
Если характерная чаотота изменения тока меньше чаототы ионизации, то мы фактически имеем дело о квазнстационар-ной плазмой, в которой концентрация электронов уопевает "подстроиться" под медленно изменяющийся, по оравнению о процессами ионизации, ток. При этом, как легко видеть, из уравнения тока черев плазму, напряженность продольного электрического поля меняется так же, как в разряде постоянного тока при изменении его величины, т.е. довольно слабо.Функция распределения электронов, при этом изменяется также довольно слабо, поэтому картина физичеоких процеооов, реализующихся в плазме, близка к той, которая наблюдаетоя в положительном отолбе стационарного разряда. Если же чаотота изменения тока больше частоты формирования функции распределения электронов, то характеристики плазмы устанавливаются в ооответотвии о неким эффективным значением напряженности электрического поля, которое обеопечивает сбалансированность процеооов, протекающих в положительном отолбе разряда, и которое близко к значению напряженности поля в плазме постоянного тока. Очевидно, что разряды ни первого, ни второго типов не позволяют получить плазму о характеристиками, оущеотвенно отличающимися от характеристик плаэмы разряда постоянного тока. Такая возможность появляется в случае динамического разряда.
В диапазоне чаотот, удовлетворяющих требованиям динамического разряда, концентрация электронов слабо изменяется во времени (-?>•%>?, ^амб)# * за изменением тока в основном следует дрейфовая окорооть электронов иДр~ЪеЕ. Напряженность электрического поля при этом может сильно изменяться в течение периода тока: от нуля до значений, существенно превышающих стационарное значение Eq. Следствием этого явдяетоя и изменение по периоду тока функции распределения электронов
145
по окороотям, оообенно в наиболее чувствительной облаоп быотрых электронов, а значит» и изменения скороотей физиче-оких процесоов9 протекающих в плазме.
В случае периодичеокого изменения тока в слаботочном разряде низкого давления число электронов, ушедших из объем плазмы на отеяки разрядной трубки за период изменения тока 7,
должно равнятьоя числу актов ионизации в единице объема за то же время:
К*™*
(т аАА? - время амбиполяр-ной диффузии; - частота ионизации). Разделяв это уравнение на соответствующее стационарное
разрядных условиях (нулевым индексом, как и прежде, будем обозначать соответствующие величины в разряде постоянного тока) и учитывая, что ~?, получим
Рио.4.1.
где <e>*T~l§ Sil)dl - усредненная за период средняя энергия электронов. Отношение <є>/€0 в случае периодического разряда еоть величина, меньшая единицы. Рассмотрим, почему это будет именно так. На рис.4 Л показаны упрощенные зависи-
и -с^ от оредней энергии электронов. Отличия
мости
функции распределения электронов в плазме от максвелловского вида в данном случае можем не учитывать (учет этих отличий не повлияет на окончательные выводы). Частота амбиполярнов диффузии раотет линейно о ростом е, чаотота же ионизации является значительно более оильной функцией е и завиоит от
146
средней энергии электронов примерно экспоненциально. Точки пересечения этих зависимостей соответствуют возможным устойчивым состояниям оиотемы, т.е. тем условиям, когда ВЫПОЛНЯЙСЯ балано рождения и гибели заряженных чаотиц. ICa к видно п рисунка, таких точек две: б « 0 и 6S6O. Первая точка соответствует отоутотвию ионизации в плазме, вторая - стационарному положительному столбу газового разряда.
