Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РАЗРЯД

СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РАЗРЯД

СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РАЗРЯД - один из видов электрическогоразряда в газе, возбуждаемый быстропеременяым электрич. полем в диапазонечастот 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 эл.-магя. волны. При этом или самволновод наполнен газом, или в него введены газонаполненные диэлектрич. <трубки. На рис. 1 представлена схема С. р. в волноводе, используемого длясоздания активной среды газового лазера. К разновидности волноводного С. <р. может быть также отнесён разряд, поддерживаемый поверхностной плазменнойволной, возбуждаемой в пределах волновода (рис. 2). По такой схеме возбуждаетсястационарный разряд в СВЧ-плазмотронах.2) Разряды в резонаторах(рис. 3) возбуждаются также либо в газонаполненном внутрирезонаторном пространстве, <либо в газонаполненном баллоне, расположенном внутри резонатора. Применениерезонаторов позволяет относительно просто получать в лаб. условиях разрядыв сверхсильных сверхвысокочастотных электрич. полях (до 10⁶ В/см), для достижения к-рых в свободном пространстве используются генераторына релятивистских электронных пучках. 3) С. р. в свободном пространствевозбуждаются пучками мощного СВЧ-излучения (рис. 4). Разновидностыо такогоразряда является несамостоятельный разряд, в к-ром ионизац. состояние поддерживаетсявнешним (неполевым) источником, а энергия в ионизованную среду вводитсяс помощью сверхвысокочастотного электрич. поля, величина к-рого меньшепорога 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 плазменнойволной: 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 - диэлектрическаялинза, формирующая сходящийся СВЧ-пучок; 2 - вакуумная камера; 3 - радиопоглощающаянагрузка; 4 - плазма.

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

Пороги возбуждения. В СВЧ-разрядах энергия эл.-магн. волн передаётсяплазме. Под действием электрич. поля электроны приобретают кинетич. энергию, <к-рая затем в соударениях с ионами и атомами переходит как в энергию тепловогодвижения самих электронов, так и в энергию возбуждения и тепловую энергиюмассивных частиц.

Характер физ. процессов С. р. (пробой газовой среды, динамика разряда, <пространственная структура и т. д.) зависит от соотношения между эфф. частотойсоударений электронов с атомами и молекулами газа v _т ичастотой 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 Е ₀.

Энергия, приобретаемая электроном в СВЧ-поле,

где -ср. относит. доля энергии, передаваемая электроном атому или молекуле пристолкновении с ними. На рис. 6 приведены эксперим. зависимости порога возбуждения E_t самоподдерживающегося С. р. от давления рабочего газа р дляразл. газов и при разных условиях. Зависимости всегда имеют минимум. Налевой ветви, где порог падает с ростом давления, он тем ниже, чем большеразмеры разрядного объёма, характеризуемые диффузионной длиной (рис. 6, а), и чем меньше частота поля f (рис. 6, в). То же относитсяи к самой величине минимума. На меньших частотах минимум располагаетсяпри более низких давлениях. На правой ветви, где порог растёт с повышениемдавления, зависимость порогового поля от размеров и частоты становитсявсё менее заметной и в пределе больших давлений почти совсем исчезает -все кривые асимптотически сливаются.

Рис. 6. Измеренные пороги СВЧ-пробоя: а - воздух, частота f = 9,4ГГц; 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 сохраняютсядлит. время (по сравнению с характерным временем развития ионизации), порогвозбуждения СВЧ-разряда определяется след. «стационарным» критерием:

где - частота ионизации,- частота прилипания электронов к атомам и молекулам рабочегогаза,- частота диффузионных потерь электронов (, D - коэф. диффузии электронов).

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

Т. к. при энергия электронов (1) практически не зависит от v_m иот давления, то с ростом давления и, следовательно, v_m остаётся неизменной п частота ионизации v_i. Однако сувеличением давления падает частота диффузионных потерь электронов, чтоприводит к уменьшению порогового электрич. поля E_t, При энергия электронов , т. к..Поэтому с ростом давления растёт величина порогового поля Е _t. Положениеминимума кривой E_t(p )можно установить на основании условия, <разграничивающего предельные случаи и , аименно, 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 болеевысокие поля, чем для атомарных, т. к. электрону приходится затрачиватьэнергию на возбуждение колебательных п др. более низколежащих электронныхуровней в молекулах, и это тормозит набор энергии в поле. В электроотрицат. <газах пороги СВЧ-пробоя также высокие, поскольку существуют дополнит. потерина прилипание.

Динамика сверхвысокочастотного разряда. Энергия СВЧ-волны, поглощаемаяплазмой в разряде, передаётся атомам и молекулам, изменяя состояние газовойсреды п меняя параметры самой плазмы в ходе развития газоразрядного процесса. <Лишь совокупность спец. мер позволяет добиться стационарности плазменногообразования, так необходимой в ряде приложений.

В совр. технике применяются и волноводные источники стационарной газоразряднойплазмы (СВЧ-плазмотроны). Разряд возбуждается и поддерживается СВЧ-излучениеммощностью в неск. кВт в пересекающей волновод диэлектрич. трубке с прокачиваемымчерез её объём газом. СВЧ-плазмотрон обладает высоким кпд - до 90%; разрядныеусловия близки к равновесным с темп-рой разрядной среды Т 9000- 10000 К.

С. р., поджигаемые мощным импульсным СВЧ-излучением в свободном пространствеили внутри волноводов, обычно не горят в одном месте, а перемещаются навстречуизлучению. В волноводах движение С. р. наблюдалось в широком интервалеизменения давлений и плотностей потока СВЧ-излучения как в атомарных, таки в молекулярных газах и смесях. Если при Е ₀< E_t вотдалённом от излучателя конце волновода стимулируется пробой, напр. вводомусиливающего электрич. поле острия, то навстречу излучению распространяетсяволна ионизации, приводящая при достаточно длит. импульсе к выходу разрядана 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 пространствев сходящихся СВЧ-пучках. В надпороговых полях ( Е ₀E_t )разрядв виде светящегося слоя толщиной соскоростью движется от места возникновения (фокальная плоскость) навстречу излучению. <Скорость фронта ионизации зависит от рода газа, давления, поля СВЧ-волныи сходимости СВЧ-пучка. В полях Е ₀ < E_t инициированныйтем или иным способом разряд в виде неоднородного плазменного слоя с осевымразмером «убегает»от инициатора навстречу излучению со скоростями , также зависящими от СВЧ-мощности, рода газа и давления.

В надпороговых полях динамика разряда определяется процессами, аналогичнымиоптическому пробою. Появление ионизационной волны связано с пространственной(аксиальной) неоднородностью пучка и падением амплитуды электрич. поляпо мере смещения от фокуса к излучателю. Быстрая ионизация газа в областивысоких полей и замедленная в области низких приводят к появлению кажущегосядвижения разряда вдоль оси с тем большей скоростью, чем слабее зависимостьчастоты ионизации от Е ₀ и чем меньше угол сходимостипучка. Аксиальный размер области свечения определяется величиной ослабления(«скинирования») интенсивности пучка созданной им же газоразрядной плазмой.

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

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

И о н и з а ц и о н н о - п о л е в ы е неустойчивости характерны дляразреженных газов и высокой частоты w. Физ. механизм возникновения этойнеустойчивости основан на явлении плазменного резонанса: пока величинаэлектронной концентрации остаётся ниже критической , её увеличение в тонком слое, перпендикулярном полю, сопровождается увеличениемамплитуды поля (,где - диэлектрическаяпроницаемость плазмы:-). Это, <в свою очередь, приводит к возрастанию частоты ионизации v_i и, следовательно, к дальнейшему росту п _е. В результатев первоначально однородном разряде образуются плоские неподвижные слои( страты), перпендикулярные вектору электрич. поля (см. также Низкотемпературнаяплазма).

Ионизационно-перегревная неустойчивость связана с ростом скорости ионизациипри увеличении темп-ры и характерна для высоких давлений газа и малых частотСВЧ-излучения. Физ. механизм этой неустойчивости заключается в следующем:в области локального флуктуац. роста концентрации электронов повышаетсяэнерговыделение, 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. Развитиенеустойчивости приводит к распаду первоначально однородного разряда наотд. нити (шнуры), вытянутые вдоль электрич. поля. Эл.-магн. волновая природавозбуждающего разряд излучения сказывается на периодичности возникновенияшнуров и на параметрах плазмы, достижимых на конечной (нелинейной) стадииразвития неустойчивости. Характерная фотография разряда в газе высокогодавления в пучке СВЧ-волн, демонстрирующая сложную структуру плазменногообразования 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-излучениемметаллич. электродов, стенок волноводов и резонаторов, диэлектрич. преград. <Явление ВЭР состоит в лавинообразном росте электронной концентрации у одиночнойповерхности (односторонний разряд) или между двумя поверхностями (двустороннийразряд). Разряд развивается за счёт вторичной электронной эмиссии. ВЭРограничивают интенсивность излучения мощных генераторных СВЧ-приборов, <развиваясь в объёме самого прибора, на его выходных окнах или в элементахтранспортирующего 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 идр., с высокой эффективностью протекает в разрядах, возбуждаемых СВЧ-полями. <Преимущества СВЧ-разрядов в плазмохимии прежде всего связаны с возможностьюпостроения реакторов для получения особо чистых веществ.

Относительно высокая устойчивость и специфика вида функции распределенияэлектронов по энергиям обусловливают использование С. р. в технике молекулярныхэксимерных и др. газоразрядных лазеров.

Уникальные свойства СВЧ-диапазона, позволяющие с мин. потерями передаватьэнергию по трассе Земля - космос с включением атм. участка, лежат в основеряда проектов использования мощных СВЧ-пучков для создания свободно локализованныхискусств. плазменных областей в атмосфере.

Лит.: Мак-Доналд А., Сверхвысокочастотный пробой в газах, пер. <с англ., М., 1969; Батанов Г. М. и др., СВЧ разряды высокого давления,«Труды ФИАН», 1985, т. 160, с. 174; Р а й з е р Ю. П., Физика газовогоразряда. М., 1987: СВЧ-генераторы плазмы, М., 1988; Высокочастотный разрядв волновых полях. Сб. науч. трудов, Горький, 1988. И. А. Коссый.