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 релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.