Физическая энциклопедия Том 4 - Порохов А.М.
Скачать (прямая ссылка):
цлонариый разряд в СВЧ-плазмотронах. 2) Разряды в резонаторах (рис. 3) возбуждаются также либо в газонаполненном виутрирезонаториои пространстве, либо в газонаполненном баллоне, расположенном внутри резонатора. Применение резона-
Рис. 3. СБЧ-раэряд в резонаторе: 1 — резонатор; 2 — плазменный цилиндр; S — петля связи.
торов позволяет относительно просто получать в лаб. условиях разряды в сверхсильных сверхвысокочастотных электрич. полях (до 10е В/см), для достижения к-рых в свободном пространстве используются генераторы на релятивистских электронных пучках. 3) С. р. в свободном пространстве возбуждаются пучками мощного СВЧ-пзлучеиия (рис. 4). Разновид-
Рис. 4. СВЧ-разряд в свободном пространстве: J — диэлектрическая линза, формирующая сходящийся СВЧ-пучок; 2 — вакуумная камера; 3 — радиопоглощающая нагрузка; 4 — плазма.
нсстью такого разряда является несамостоятельный разряд, в к-ром иоиизац. состояние поддерживается внешним (неполевым) источником, а энергия в ионизованную среду вводится с помощью сверхвысокочастотного электряч. поля, величина к-рого меньше порога пробоя (рис. 5). Разряды в пучках СВЧ-иэлучения ис-
Рнс. 5. * Несамостоятельный СВЧ-разряд в свободном пространстве: J — диэлектрическая линза; г — СВЧ-поле (меньше порога пробоя); з — кольцевой источник уФ-из-лучения.
пользуются в экспериментах, моделирующих локализованные искусственно ионизованные области над Землёй, а также в плазмохимии для получения высокочистых продуктов реакцйи.
Пороги возбуждения. В СВЧ-разрядах энергия эл.-магн. волн передаётся плазме. Под действием злектрич. поля электроны приобретают кинетич. энергию, к-рая затем в соударениях с ионами и атомами переходит как в энергию теплового движения самих электронов, так и в энергию возбуждения и тепловую энергию массивных частиц.
Характер фнз. процессов С. Pf. (пробой газовой среды, динамика разряда, пространственная структура и т. д.) зависит от соотношения между эфф. частотой соударений электронов с атомами и молекулами газа Vm и частотой электрич. поля со. При vm/® < 1 (высокие частоты поля и низкие давления газа) электроны движутся в электрич. поле почти как свободные. При V7nZto > 1 (низкие частоты поля, высокие давлення га-за) электроны дрейфуют в перем, электрич, поле СВЧ-волны, E(t) — ?0cosa>f, со скоростью Ue = eE0COS(iit/me\m, т. е. в каждый момент движутся с той же скоростью, что и в пост, электряч. поле, напряжённость к-рого равиа мгновенному значению перем, электрич. поля с амплитудой E0.
Энергия, приобретаемая электроном в СВЧ-поле,
WeTAe1E I 2теЬе(CDa-J-V3 ) ,
О V т/
(1)
где 6е — ср. относит, доля энергии, передаваемая электроном атому или молекуле при столкновении с ними.
На рис. в приведены эксперим. зависимости порога возбуждения Et самоподдерживающегося С. р. от давления рабочего газа р для разл. газов и при разных условиях. Зависимости всегда имеют минимум. На левой ветви, где порог падает с ростом давления, он тем ¦вже, чем больше размеры разрядного объёма, характеризуемые диффузионной длиной Л (рис. 6,а), и чем
Efih
врёмя (по сравнению с характерным временем развития ионизации), порог возбуждения СВЧ-разряда определяется след, «стационарным» критерием:
JVi(-Et)=Jv<l+ve( JS j),
(2)
где Vj — частота ионизации, V0 — частота прилипания электронов к атомам и молекулам рабочего газа, Vd — частота диффузионных потерь электронов (Vd = D/Л3, D — коэф. диффузии электронов).
В области высоких давлений диффузионные потери электронов незначительны п даже не слишком большая скорость ионизации обеспечивает пробой.
Т. к. при vm/w «; 1 энергия электронов (1) практически не зависит от Vm и от давления, то с ростом давления и, следовательно, Vm остаётся неизменной п частота яоиизации Vi. Однако с увеличением давления падает частота диффузионных потерь электронов, что приводит к уменьшению порогового электрнч. поля Ei, Прн vm/(ri » 1 энергия электронов We Si (Va) е2?0/ nIgbeV^n CO
оо (E0Zpf, т. к. Vm сп р. Поэтому с ростом давления растёт величина порогового поля Et. Положение минимума кривой ?t(p) можно установить иа основании условия, разграничивающего предельные случаи Vm ш и vm » со, а именно, в случае равенства по порядку величины частот столкновений и поля: Vm ж о.
В условиях HOpOTKОЙ длительности импульса Xf порог возбуждения разряда определяется «нестационарным» критерием: за время тf лавина электронная с нач. концентрацией электронов п0 должна дорасти до иек-рой конечной величины п:
^i(Et)—Vd—V0=T^ In п/п0.
(3)
Ур-ние (3) обобщает «стационарный» критерий (2) и сводится к нему при Tf —> во. Обычио за конечную концентрацию принимается такая критич. концентрация пс = те((а2 -j- vJ„)/4jwa, при к-рой плазменное образование отражает СВЧ-излучение, как металлич. зеркало.
Для пробоя молекулярных газов при прочих равных условиях требуются более высокие поля, чем для атомарных, т. к. электрону приходится затрачивать анергию на возбуждение колебательных и др. более низколежащих электронных уровней в молекулах, и это тормозит набор энергии в поле. В электроотрицат. газах пороги СВЧ-пробоя также высокие, поскольку существуют дополнит, потери иа прилипание.