19230

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ (ВЧ) РАЗРЯДЫ

Лекция

Физика

Высокочастотные ВЧ разряды Высокочастотные разряды ВЧ являются самыми универсальными и удобными с практической точки зрения разрядами т.к. для их создания в большинстве случаев не требуется электродов а они могут зажигаться либо в атмосфере либо в камере при пон

Русский

2013-07-11

138.5 KB

30 чел.

Высокочастотные (ВЧ) разряды

Высокочастотные разряды (ВЧ) являются самыми универсальными и удобными с практической точки зрения разрядами, т.к. для их создания в большинстве случаев не требуется электродов, а они могут зажигаться либо в атмосфере, либо в камере при пониженном давлении. При создании ВЧ-разрядов при использовании потоков газов могут быть получены плазмотроны, нашедшие ряд технологических применений в металлургии и плазмохимии. Исследования ВЧ-разрядов были начаты в конце XIX века ввиду создания высоковольтных трансформаторов: катушки Румкорфа, а затем генератора Тесла. В экспериментах Тесла впервые были получены искровые разряды длиной до нескольких метров при атмосферном давлении. В начале XX века Томсоном были исследованы различные ВЧ-разряды при пониженном давлении и возбуждении их с помощью индукционных катушек. Также были открыты другие разновидности ВЧ-разрядов, как, например, факельный разряд.  

       Для ВЧ-разрядов существуют следующие способы возбуждения: 1) емкостной при частотах менее 10 кГц, 2) индукционный при частотах в диапазоне 100 кГц – 100 Мгц. Данные способы возбуждения подразумевают использование генераторов данных диапазонов. При емкостном способе возбуждения электроды могут быть установлены внутри рабочей камеры или снаружи, если камера изготовлена из диэлектрика (рис.1 а,б). Для индукционного способа применяются специальные катушки, количество витков которых зависит от используемой частоты (рис.1 в).

         

  Рис.1                  а)                                б)                              в)         

 

       Рассмотрим основные закономерности емкостного пробоя на примере разряда с внешней установкой электродов. Разряд зажигался в трубке, заполненной неоном длиной 30 см и диаметром 2 см. Частота генератора находилась в диапазоне  2 МГц – 15 МГц.

                                      Рис.2

                                                                                       

Зависимость напряжения пробоя  Uз  от давления газа в камере представлена на рис.2. В отличии от пробоя по Пашену для таунсендовского разряда в данных зависимостях не присутствует расстояние между электродами. При фиксированной частоте генератора определяющим параметром является давление. С увеличением частоты генератора зависимости располагаются ниже.

       Для анализа механизма ВЧ -пробоя вводится наиболее важная сравнительная характеристика для данных видов разрядов – соотношение частоты столкновений заряженных частиц (электронов и протонов) и частоты внешнего электрического поля генератора. Наиболее важными случаями являются следующие: 1) частота генератора значительно превышает частоту столкновений (), 2) частота генератора значительно меньше частоты столкновений  (). Случай приблизительно равных значений частоты столкновения и частоты генератора является более сложным вариантом, т.к. нельзя сказать какой механизм будет доминировать.

       Представим расположение плазменных областей ВЧ-разряда на примере емкостного разряда с электродами, установленными внутри камеры (рис.3). Считается, что внешнее электрическое поле, созданное генератором синусоидальное . Допустим, что частота столкновений значительно превышает частоту возбуждающего генератора (). Тогда движение электронов в данном разряде будет сводится к дрейфовому движению со скоростью:

                          

Амплитуда смещения электронов имеет вид:               

                  

               

           Рис.3

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              

При  p =10 тор,  =8,5107 с-1, E/p =10 В/смторр, значение  смещения составляет А=0,1 см. Для оценки дебаевского радиуса в случае данного разряда получается значение:

              rД =0,05 см,  при  n=108 см-3 и  Т=1 эВ     

За время меньше периода колебаний генератора (t<T) изобразим расположение областей плазмы и график зависимостей напряженности электрического поля и потенциала (рис.3). Центральное местоположение между электродами будет занимать плазменная область с квазинейтральным параметром . Области сопредельные с электродами будут характеризоваться ростом напряженности и потенциала электрического поля.          Полный ток, текущий через разряд содержит ток заряженных частиц и ток смещения:

          

В большинстве случаев ток частиц в ВЧ -разрядах превосходит ток смещения (j1 > jсм ).

       Рассмотрим вольтамперную характеристику (ВАХ) емкостного ВЧ разряда (рис.4) на примере разряда между электродами, установленными в камере (диаметр 10 см, расстояние 1-10 см). Частота генератора составляла 14 МГц, использовался остаточный воздух, гелий и углекислый газ. Характерным для данных зависимостей является наличие почти постоянных участков, где увеличение тока, происходит при практически постоянном напряжении.

                                                  Рис.4

                                                                                                                                                                 

                             

        При построении теории ВЧ -разряда достаточно трудным моментом является создание универсальной теории для всех разновидностей данных разрядов. Рассмотрим основные закономерности, связанные с движением электронов. Можно выделить два основных момента в зависимости от соотношения между частотой генератора и частотой электрон-ионных столкновений.

1) Первый случай соответствует условию, когда внешняя частота значительно превосходит частоту столкновений (). Давление газа при этом считается достаточно малым. Для движения электрона в отсутствии столкновений записывается уравнение движения:

              

Решение уравнения имеет вид:

              

Обычно полагают С2=0 и  в момент появления электрона. Полученное решение соответствует гармоническому и поступательному движению электрона во внешнем электрическом поле в промежутках между столкновениями с атомами и ионами.

2) Второй случай соответствует значительному превышению частоты столкновений над внешней частотой (). Давление газа P и частота поля  таковы, что за время менее периода  t<<T  благодаря большому числу столкновений устанавливается дрейф электронов. Скорость дрейфа электронов имеет выражение:

               

3) Более сложным является случай примерного равенства данных частот, т.е. частоты генератора и частоты столкновений электронов (). В данном варианте трудно сказать, какой из двух механизмов будет доминирующим.                        

       Приведем результаты теории ВЧ -разряда, построенной Хейлом для случая низких давлений газа и превышения частоты генератора над частотой столкновения  (). Предполагается, что пробой газа происходит, когда энергия электрона в конце свободного пробега равна энергии ионизации частиц газа, т.е. .  В качестве исходных выражений записываются два трансцендентных уравнения:  

               

        – длина ионизации электрона, – энергия ионизации атома, - момент появления свободного электрона, t – момент первого соударения электрона с частицей газа

Амплитуда напряженности внешнего электрического поля E0 будет наименьшей при  или , т.е. когда  E=0. Окончательный вид системы данных уравнений следующий:

               

В рамках данной теории были получены зависимости напряжения зажигания разряда от частоты генератора, которые нашли хорошее соответствие с экспериментальными распределениями.                                       

                      

      Разновидностью ВЧ -разрядов, происходящих при частотах порядка гигагерц (1 Гц) являются СВЧ -разряды, имеющие свои специфические особенности. Для создания СВЧ -разрядов электромагнитная энергия от генератора передается в камеру по волноводу, либо фокусируется в области разряда.

       Для описания пробойных явлений обычно записывается уравнение, характеризующее основные процессы: ионизацию электронным ударом, а также прилипание и диффузию электронов:

             

     D -коэффициент диффузии электронов, -частота ионизации, -частота прилипания

Образование электронных лавин описывается с помощью уравнения:

              

                  

        - частота диффузии, - длина диффузии,  - количество затравочных

          электронов,   -постоянная времени лавины              

Для стационарного случая имеет место равенство частоты ионизации и суммы частот диффузии и прилипания.

              

                                               Рис.5

                                                                                                                                                                          

      Приведем зависимости напряжения электрического поля, при которой происходит пробой газа от давления газа (рис.5) для воздуха и гелия. Примечательным является вид данных зависимостей, содержащих минимум, как, например, и кривые Пашена для пробоя в случае тлеющего разряда.

~

~

~

2

4

6

8

10

400

800

1200

1600

p, торр 

Uз , В

1

2

3

1) =15 МГц

2) =3 МГц

3) =2,4 МГц

+

+

x

электроды

плазма

x

E

d

x

d

1

2

3

0

300

500

I, A

U, B

   14 МГц

1) воздух p=7,5 торр

2) СО2  p=15 торр

3) воздух  p=30 торр

4) He  p=30 торр

1

2

3

4

10-1

100

101

102

103

p, торр

102

103

104

E, В/см

1) He (+Hg) =10 ГГц

2) воздух  =9,4 ГГц

1

2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

49052. ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ ОБУЧАЮЩЕГО МАТЕРИАЛА В ГИПЕРТЕКСТОВОЙ СРЕДЕ ПО ТЕМЕ «ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА ПК» 2.8 MB
  Теоретическая часть Программные средства по созданию электронного пособия Новые возможности Microsoft Office PowerPoint 2007 6 Технология создания электронного пособия средствами Office PowerPoint 2007 17 Объект: обучающий материал Предмет: Microsoft Office PowerPoint 2007. Электронные учебники в формате Microsoft Office Word 2007...
49053. Размещение графики на Web-странице и создание гиперссылок в HTML-документе 65.5 KB
  Обязательный параметр, имеющий такой же синтаксис, как и стандартный URL. Данный URL указывает браузеру где находится рисунок. Рисунок должен храниться в графическом формате, поддерживаемом браузером. На сегодняшний день форматы GIF и JPG поддерживаются большинством браузеров.
49054. Прогнозирование ДТП 205 KB
  Основные модели и стратегии Перспективы метода компьютерного моделирования Основные модели и стратегии Искусственный интеллект это научная отрасль занимающаяся исследованием и моделированием естественного интеллекта человека. Естественный интеллект человека является очень сложным объектом исследований и его моделирование осуществляется на разных уровнях абстрагирования...
49055. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КОТИРОВОК АКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЙРОСЕТИ 253 KB
  Сущность акций Факторы влияющие на котировки акций Прогнозирование котировок акций с применением Нейросимулятора
49056. ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ НЕПРИРЫВНЫХ СООБЩЕНИЙ 2.06 MB
  Вид модуляции сигнала во второй ступени ЧМ. С учётом заданного вида модуляции сигнала определить его параметры характеризующие форму и требуемое значение полосы пропускания приёмного устройства. По полученному значению вероятности ошибки по формулам потенциальной помехоустойчивости найти минимальное значение отношения мощностей сигнала и помехи необходимое для обеспечения допустимого уровня искажения кода за счёт действия помех. Рассчитать требуемое значение полосы приёмника при использовании сложного сигнала.
49057. Расчет проходной (методической) печи 23.07 MB
  Определение основных размеров печи. Проходные методические печи чаще всего принимаются для нагрева слитков металла перед прокаткой для придания им пластичности. В зоне сжигания топлива температура максимальная на 100200оС выше конечной температуры нагрева металла к концу печи она уменьшается. При нагреве тонких изделий время нагрева могло бы быть уменьшено при поддержании высокой температуры по всей длине печи.
49058. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ НОВОСИБИРСК – КРАСНОЯРСК 814.5 KB
  Разработана линейная часть волоконно-оптической системы передачи данных со следующими параметрами: скоростью передачи 136264 Мбит с; рабочей длиной волны 1550 нм; протяженностью трассы 761 км; вероятность ошибки BER не более 1010; энергетическим бюджетом в 40 дБ; избыточностью системы 27; коэффициентом готовности 0.Скорость передачи определяется исходя из п. Волоконная оптика: компоненты системы передачи измерения.
49059. Создание новой нейросистемы (разработанной в программе разработчиков Borland Delphi 2006) 870 KB
  Нейронные сети. Нейронные сети и нейрокомпьютеры - это одно из направлений компьютерной индустрии в основе которого лежит идея создания искусственных интеллектуальных устройств по образу и подобию человеческого мозга1. Искусственные нейронные сети представляют собой устройства использующие огромное число элементарных условных рефлексов называемых по имени недавно умершего канадского физиолога синапсами Хебба. Уже сейчас искусственные нейронные сети применяются для решения очень многих задач обработки изображений управления роботами и...
49060. Сканирующая туннельная микроскопия 1.64 MB
  История создания сканирующего туннельного микроскопа Сканирующие элементы зондовых микроскопов Недостатки пьезокерамики Устройства для прецизионных перемещений зонда и образца Шаговые электродвигатели Шаговые пьезодвигатели Измерительные методики СТМ Топографический режим Токовый режим Туннельная спектроскопия ВАХ контакта металлметалл ВАХ контакта металл полупроводник ВАХ контакта...