Сверхвысокочастотный разряд. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Сверхвысокочастотный разряд - один из видов электрического разряда в газе, возбуждаемый быстропеременяым электрич. полем в диапазоне частот

Гц (длина волны

= 30 см Ч- 3 мм). В зарубежной литературе этот разряд наз. микроволновым.

Рис. 1. СВЧ-разряд в волноводе: 1 - волновод; 2 - отверстие связи; 3 - трубка с прокачкой; 4 - брюстеровские окна; 5 -лазерные зеркала; 6 - радиопоглощающая нагрузка.

Способы возбуждения. По условиям возбуждения сверхвысокочастотные (СВЧ) разряды могут быть разделены на неск. видов. 1) Разряды в волноводах, возбуждаемые полями бегущей или стоячей электромагнитной волны. При этом или сам волновод наполнен газом, или в него введены газонаполненные диэлектрич. трубки. На рис. 1 представлена схема сверхвысокочастотный разряд в волноводе, используемого для создания активной среды газового лазера. К разновидности волноводного сверхвысокочастотного разряда может быть также отнесён разряд, поддерживаемый поверхностной плазменной волной, возбуждаемой в пределах волновода (рис. 2). По такой схеме возбуждается стационарный разряд в СВЧ-плазмотронах .2) Разряды в резонаторах (рис. 3) возбуждаются также либо в газонаполненном внутрирезонаторном пространстве, либо в газонаполненном баллоне, расположенном внутри резонатора. Применение резонаторов позволяет относительно просто получать в лаб. условиях разряды в сверхсильных сверхвысокочастотных электрич. полях (до 10⁶ В/см), для достижения которых в свободном пространстве используются генераторы на релятивистских электронных пучках. 3) Сверхвысокочастотный разряд в свободном пространстве возбуждаются пучками мощного СВЧ-излучения (рис. 4). Разновидностыо такого разряда является несамостоятельный разряд, в к-ром ионизац. состояние поддерживается внешним (неполевым) источником, а энергия в ионизованную среду вводится с помощью сверхвысокочастотного электрич. поля, величина к-рого меньше порога пробоя (рис. 5). Разряды в пучках СВЧ-излучения используются в экспериментах, моделирующих локализованные искусственно ионизованные области над Землёй, а также в плазмохимии для получения высокочистых продуктов реакции.

Рис. 2. СВЧ-разряд в диэлектрической трубке, поддерживаемый плазменной волной: 1 - волновод; 2 - плазма; 3 - диэлектрическая трубка.

Рис. 3. СВЧ-разряд в резонаторе: 1 - резонатор; 2 - плазменный цилиндр; 3 - петля связи.

Рис. 4. СВЧ-разряд в свободном пространстве: 1 - диэлектрическая линза, формирующая сходящийся СВЧ-пучок; 2 - вакуумная камера; 3 - радиопоглощающая нагрузка; 4 - плазма.

Рис. 5. Несамостоятельный СВЧ-разряд в свободном пространстве: 1 - диэлектрическая линза; 2 - СВЧ-поле (меньще порога пробоя); 3 - кольцевой источник УФ-излучения.

Пороги возбуждения. В СВЧ-разрядах энергия эл--магн. волн передаётся плазме. Под действием электрич. 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 физ. процессов С. р. (пробой газовой среды, динамика разряда, пространственная структура и т. д.) зависит от соотношения между эфф. частотой соударений электронов с атомами и молекулами газа v_т и частотой электрич. поля со. При

(высокие частоты поля и низкие давления газа) электроны движутся в электрич. поле почти как свободные. При

(низкие частоты поля, высокие давления газа) электроны дрейфуют в перем. электрич. поле СВЧ-волны, E(t)= E₀coswt, со скоростью

т. е. в каждый момент движутся с той же скоростью, что и в пост. электрич. поле, напряжённость к-рого равна мгновенному значению перем. электрич. поля с амплитудой Е₀.

Энергия, приобретаемая электроном в СВЧ-поле,

где

- ср. относит. доля энергии, передаваемая электроном атому или молекуле при столкновении с ними. На рис. 6 приведены эксперим. зависимости порога возбуждения E_t 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 ниже, чем больше размеры разрядного объёма, характеризуемые диффузионной длиной

(рис. 6, а), и чем меньше частота поля f (рис. 6, в). То же относится и к самой величине минимума. На меньших частотах минимум располагается при более низких давлениях. На правой ветви, где порог растёт с повышением давления, зависимость порогового поля от размеров и частоты становится всё менее заметной и в пределе больших давлений почти совсем исчезает - все кривые асимптотически сливаются.

Рис. 6. Измеренные пороги СВЧ-пробоя: а - воздух, частота f = 9,4 ГГц; б - несколько газов, f = 0,99 ГГц, = 0,63 см; в - Heg-газ (гелий с добавкой паров ртути), = 0,6 см.

Теория вполне удовлетворительно описывает пороговые характеристики С. р. Если СВЧ-поле включается достаточно быстро и параметры его сохраняются длит. время (по сравнению с характерным временем развития ионизации), порог возбуждения СВЧ-разряда определяется след. «стационарным» критерием:

где

- частота ионизации, - частота прилипания электронов к атомам и молекулам рабочего газа,

- частота диффузионных потерь электронов (

, D - коэф. диффузии электронов).

В области высоких давлений диффузионные потери электронов незначительны и даже не слишком большая скорость ионизации обеспечивает пробой.

Т. к. при

энергия электронов (1) практически не зависит от v_m и от давления, то с ростом давления и, следовательно, v_m остаётся неизменной п частота ионизации v_i. Однако с увеличением давления падает частота диффузионных потерь электронов, что приводит к уменьшению порогового электрич. поля E_t, При

энергия электронов

, т. к.

. Поэтому с ростом давления растёт величина порогового поля Е_t. Положение минимума кривой E_t(p)можно установить на основании условия, разграничивающего предельные случаи

, а именно, в случае равенства по порядку величины частот столкновений и поля:

В условиях короткой длительности импульса

порог возбуждения разряда определяется «нестационарным» критерием: за время

лавина электронная с нач. концентрацией электронов n₀ должна дорасти до нек-рой конечной величины п:

Ур-ние (3) обобщает «стационарный» критерий (2) и сводится к нему при

. Обычно за конечную концентрацию принимается такая критич. концентрация

, 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 энергию на возбуждение колебательных п 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 на прилипание.

Динамика сверхвысокочастотного разряда. Энергия СВЧ-волны, поглощаемая плазмой в разряде, передаётся атомам и молекулам, изменяя состояние газовой среды п меняя параметры самой плазмы в ходе развития газоразрядного процесса. Лишь совокупность спец. мер позволяет добиться стационарности плазменного образования, так необходимой в ряде приложений.

В совр. технике применяются и волноводные источники стационарной газоразрядной плазмы (СВЧ-плазмотроны). Разряд возбуждается и поддерживается СВЧ-излучением мощностью в неск. кВт в пересекающей волновод диэлектрич. трубке с прокачиваемым через её объём газом. СВЧ-плазмотрон обладает высоким кпд - до 90%; разрядные условия близки к равновесным с температурой разрядной среды Т9000 - 10000 К.

Сверхвысокочастотные разряды, поджигаемые мощным импульсным СВЧ-излучением в свободном пространстве или внутри волноводов, обычно не горят в одном месте, а перемещаются навстречу излучению. В волноводах движение С. р. наблюдалось в широком интервале изменения давлений и плотностей потока СВЧ-излучения как в атомарных, так и в молекулярных газах и смесях. Если при Е₀ < E_tв отдалённом от излучателя конце волновода стимулируется пробой, напр. вводом усиливающего электрич. поле острия, то навстречу излучению распространяется волна ионизации, приводящая при достаточно длит. импульсе к выходу разряда на окно СВЧ-генератора. Скорости движения зависят от мощности СВЧ-излучения, рода газа и его давления и лежат в интервале

Наиб. скорости зарегистрированы в атомарных газах, наименьшие - в молекулярных.

Ионизационные волны характерны и для С. р. в свободном пространстве в сходящихся СВЧ-пучках. В надпороговых полях (Е₀ > E_t)разряд в виде светящегося слоя толщиной

со скоростью

движется от места возникновения (фокальная плоскость) навстречу излучению. Скорость фронта ионизации зависит от рода газа, давления, поля СВЧ-волны и сходимости СВЧ-пучка. В полях Е₀ < E_t инициированный тем или иным способом разряд в виде неоднородного плазменного слоя с осевым размером

«убегает» от инициатора навстречу излучению со скоростями

, также зависящими от СВЧ-мощности, рода газа и давления.

В надпороговых полях динамика разряда определяется процессами, аналогичными оптическому пробою. Появление ионизационной волны связано с пространственной (аксиальной) неоднородностью пучка и падением амплитуды электрич. поля по мере смещения от фокуса к излучателю. Быстрая ионизация газа в области высоких полей и замедленная в области низких приводят к появлению кажущегося движения разряда вдоль оси с тем большей скоростью, чем слабее зависимость частоты ионизации от Е₀и чем меньше угол сходимости пучка. Аксиальный размер области свечения определяется величиной ослабления («скинирования») интенсивности пучка созданной им же газоразрядной плазмой.

Перенос ионизации осуществляется разл. механизмами: диффузией возбуждённых и заряж. частиц, за счёт теплопроводности, собственного ионизирующего излучения разряда и т. д. В зависимости от условий один к--л. процесс может играть определяющую роль, в соответствии с чем механизм распространения разряда наз. теплопроводностным, диффузионным, фотоионизационным (или радиационным), газодинамическим и др.

Устойчивость и пространственная структура сверхвысокочастотного разряда. Как стационарные, так и движущиеся навстречу волне С. р. характеризуются сложностью формы, прежде всего наличием мелкомасштабной пространственной неоднородности. Неоднородность разряда, как правило, тем существенней, чем выше отношение v_m/w. Важную роль в формировании структуры разряда играют ионизационные неустойчивости, к-рые можно разделить на два класса: ионизационно-полевые (или электродинамические) и ионизационно-перегревные (или газодинамические).

Ионизационно-полевые неустойчивости характерны для разреженных газов и высокой частоты w. Физ. механизм возникновения этой неустойчивости основан на явлении плазменного резонанса: пока величина электронной концентрации остаётся ниже критической

, её увеличение в тонком слое, перпендикулярном полю, сопровождается увеличением амплитуды поля (

, где

- диэлектрическая проницаемость плазмы:

). Это, в свою очередь, приводит к возрастанию частоты ионизации v_i и, следовательно, к дальнейшему росту п_е. В результате в первоначально однородном разряде образуются плоские неподвижные слои (страты ),перпендикулярные вектору электрич. поля (см. также Низкотемпературная плазма).

Ионизационно-перегревная неустойчивость связана с ростом скорости ионизации при увеличении температуры и характерна для высоких давлений газа и малых частот СВЧ-излучения. Физ. механизм этой неустойчивости заключается в следующем: в области локального флуктуац. роста концентрации электронов повышается энерговыделение, растёт темп-pa газа, падает концентрация молекул (атомов) рабочего газа и, соответственно, растёт частота ионизации v_i, что приводит к дальнейшему росту концентрации п_е. Развитие неустойчивости приводит к распаду первоначально однородного разряда на отд. нити (шнуры), вытянутые вдоль электрич. поля. Эл--магн. волновая природа возбуждающего разряд излучения сказывается на периодичности возникновения шнуров и на параметрах плазмы, достижимых на конечной (нелинейной) стадии развития неустойчивости. Характерная фотография разряда в газе высокого давления в пучке СВЧ-волн, демонстрирующая сложную структуру плазменного образования в результате развития неустойчивости, приведена на рис. 7.

Вторичноэлектронные вакуумные сверхвысокочастотные разряды (ВЭР). К С. р. относятся и т. н. вторично-электронные (или «мультипликаторные») разряды, развивающиеся в вакууме у поверхностей взаимодействующих с СВЧ-излучением металлич. электродов, стенок волноводов и резонаторов, диэлектрич. преград. Явление ВЭР состоит в лавинообразном росте электронной концентрации у одиночной поверхности (односторонний разряд) или между двумя поверхностями (двусторонний разряд). Разряд развивается за счёт вторичной электронной эмиссии. ВЭР ограничивают интенсивность излучения мощных генераторных СВЧ-приборов, развиваясь в объёме самого прибора, на его выходных окнах или в элементах транспортирующего излучение тракта.

Рис. 7. Фотография СВЧ-разряда в воздухе, возбуждаемая пучком СВЧ-волн; f = 37 ГГц; давление р = 300 мм рт. ст.

Применение. С. р. широко применяются в совр. технике. Ряд плазмохим. процессов, таких, как получение чистого кварца, разл. соединений металлов, связывания азота с кислородом в воздухе, диссоциация углекислого газа и др., с высокой эффективностью протекает в разрядах, возбуждаемых СВЧ-полями. Преимущества СВЧ-разрядов в плазмохимии прежде всего связаны с возможностью построения реакторов для получения особо чистых веществ.

Относительно высокая устойчивость и специфика вида функции распределения электронов по энергиям обусловливают использование С. р. в технике молекулярных эксимерных и др. газоразрядных лазеров.

Уникальные свойства СВЧ-диапазона, позволяющие с мин. потерями передавать энергию по трассе Земля - космос с включением атм. участка, лежат в основе ряда проектов использования мощных СВЧ-пучков для создания свободно локализованных искусств. плазменных областей в атмосфере.

Литература по сверхвысокочастотным разрядам

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.