|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Сверхвысокочастотный разряд |
 | |
Анимация
0
Описание
Сверхвысокочастотный разряд - один из видов электрического разряда в газе, возбуждаемый быстропеременным электромагнитным полем в диапазоне частот: 109 - 1011 Гц (длина волны: 0,3 - 3·10-3 м).
В сверхвысокочастотных разрядах энергия электромагнитных волн передается газу (плазме). Под действием электромагнитного поля электроны приобретают кинетическую энергию, которая в соударениях с ионами и атомами переходит в энергию теплового движения самих электронов, так и в энергию возбуждения и тепловую энергию массивных частиц.
Характер физических процессов сверхвысокочастотных разрядов (пробой газовой среды, динамика разряда, пространственная структура ионов и т.д.) зависит от соотношения между эффективной частотой соударений электронов и атомами и молекулами газа vm и частотой электрического поля w. При vm /w < 1 (высокие частоты поля и низкие давления газа) электроны движутся в электрическом поле почти как свободные. При vm /w > 1 (низкие частоты поля и высокие давления газа) электроны дрейфуют в переменном электрическом поле сверхвысокочастотной волны:
E(t) = E0·coswt,
со скоростью:
ue = eE0·coswt /mevm,
т.е. в каждый момент движутся с той же скоростью, что и в постоянном электрическом поле, напряженность которого равно мгновенному значению переменного электрического поля с амплитудой Е0.
Энергия, приобретаемая электроном в сверхвысокочастотном поле:
we = e2·E02 /2·mede(w2 + vm2), (1)
где de - средняя относительная доля энергии, передаваемая электроном атому или молекуле при столкновении с ним.
На рис. 1 приведены экспериментальные зависимости порога возбуждения Еt самоподдерживающегося сверхвысокочастотного разряда от давления Р рабочего газа для воздуха при разных условиях (значениях диффузионной длины L).
Пороги сверхвысокочастотного пробоя в воздухе при различных l и Р
Рис. 1
Зависимости всегда имеют минимум. На левой ветви, где порог падает с ростом давления, он тем ниже, чем больше размеры разрядного объема, характеризуемые диффузионной длиной L, и чем меньше частота поля f.
То же относится и к самой величине минимума. В правой ветви, где порог растет с повышением давления, зависимость порогового поля от размеров и частоты становится все менее заметной и в пределе больших давлений почти совсем исчезает - все кривые асимптотически сливаются.
Теория вполне удовлетворительно описывает пороговые характеристики сверхвысокочастотного разряда. Если сверхвысокочастотное поле включается достаточно быстро и параметры его сохраняются длительное время (по сравнению с характерным временем развития ионизации), порог возбуждения сверхвысокочастотного разряда определяется следующим “стационарным” критерием:
vi (Et) = vd + va (Et), (2)
где vi - частота ионизации;
va - частота прилипания электронов к атомам и молекулам рабочего газа;
vd - частота диффузионных потерь электронов.
vd = D/L2,
где D - коэффициент диффузии электронов.
В области высоких давлений диффузионные потери электронов незначительны и даже не слишком большая скорость ионизации обеспечивает пробой.
Так как при vm /w << 1 энергия электронов (1) практически не зависит от vm и от давления, то с ростом давления, и следовательно, vm остается неизменной и частота ионизации vi. Однако с увеличением давления падает частота диффузионных потерь электронов, что приводит к уменьшению порогового поля Et. При vm /w >> 1 энергия электронов:
,
так как vm М p.
Поэтому с ростом давления растет величина порогового поля Еt. Положение минимума кривой Еt(р) можно установить на основании условия, разграничивающего предельные случаи vm << w и vm >> w, а именно, в случае равенства по порядку величины частот столкновений и поля: vm ≈ w.
В условиях короткой длительности импульса tf порог возбуждения разряда определяется “нестационарным” критерием: за время tf лавина электронная с начальной концентрацией электронов n0 должна дорасти до некоторой конечной величины n:
. (3)
Уравнение (3) обобщает “стационарный” критерий (2) и сводится к нему при tf → Ґ. Обычно за конечную концентрацию принимается такая критическая концентрация:
,
при которой плазменное образование отражает сверхвысокочастотное излучение, как металлическое 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 и др. Более низколежащих электронных уровней в молекулах, и это тормозит набор энергии в поле.
В электроотрицательных газах пороги сверхвысокочастотного пробоя также высокие, поскольку существуют дополнительные потери на прилипание. сверхвысокочастотных разрядов.
Динамика сверхвысокочастотного разряда. Энергия сверхвысокочастотной волны, поглощаемая плазмой в разряде, передается атомам и молекулам. Изменяя состояние газовой среды и меняя параметры самой плазмы в ходе развития газоразрядного процесса. Лишь совокупность специальных мер позволяет добиться стационарности плазменного образования, так необходимой в технических приложениях.
Устойчивость и пространственная структура сверхвысокочастотного разряда. Сверхвысокочастотные разряды характеризуются сложностью формы, прежде всего наличием мелкомасштабной пространственной неоднородности. Неоднородность разряда, как правило, тем существенней, чем выше отношение vm /w. Важную роль в формировании структуры разряда играют ионизационные неустойчивости, которые можно разделить на два класса: ионизационно - полевые (или электродинамические) или ионизационно - перегревные (или газодинамические).
Ионизационно - полевые неустойчивости характерны для разреженных газов и высокой частоты w. Физический механизм возникновения этой неустойчивости основан на явлении плазменного резонанса: пока величина электронной концентрации остается ниже критической (ne /nc < 1), ее увеличение в тонком слое, перпендикулярном полю, сопровождается увеличением амплитуды поля. E0 М e -1, где e - диэлектрическая проницаемость плазмы:
.
Это, в свою очередь, приводит к возрастанию частоты ионизации vi и следовательно к дальнейшему росту nе. В результате в первоначально однородном разряде образуются плоские подвижные слои (страты), перпендикулярные вектору электрического поля.
Ионизационно-перегревная неустойчивость связана с ростом скорости ионизации при увеличении температуры и характерна для высоких давлений газа и малых частот сверхвысокочастотного излучения. Физический механизм этой неустойчивости заключается в следующем: в области локального флуктуационного роста конденсации электронов повышается энерговыделение, растет температура газа и, соответственно, растет частота ионизации vi, что приводит к дальнейшему росту концентрации nе. Развитие неустойчивости приводит к распаду первоначально однородного разряда на отдельные нити (шнуры), вытянутые вдоль электрического поля.
Электромагнитная волновая природа возбуждающего разряд излучения сказывается на периодичности возникновения шнуров и на параметрах плазмы, достижимых на конечной (нелинейной) стадии развития неустойчивости.
Вторично-электронные вакуумные сверхвысокочастотные разряды. К сверхвысокочастотным разрядам относятся и т.н. вторично-электронные (или мультипликаторные) разряды, развивающиеся в вакууме у поверхностей взаимодействующих с сверхвысокочастотным излучением металлических электродов, стенок волноводов и резонаторов, диэлектрических преград. Явления вторично-электронного вакуумного сверхвысокочастотного разряда состоит в лавинообразном росте электронной концентрации у одиночной поверхности (односторонний разряд) или между двумя поверхностями (двухсторонний разряд). Разряд развивается за счет вторичной электронной эмиссии. Вторично-электронный вакуумный сверхвысокочастотный разряд ограничивают интенсивность излучения мощных генераторных сверхвысокочастотных приборов, развиваясь в объеме самого прибора, на его входных окнах или в элементах транспортирующего излучение тракта.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Разряды в пучках сверхвысокочастотного излучения широко применяются в современной технике. Ряд плазмохимических процессов, таких, как получение чистого кварца, различных 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 обуславливают использование сверхвысокочастотного разряда в технике молекулярных эксимерных и др. газоразрядных лазеров.
Уникальные свойства СВЧ - диапазона, позволяющие с минимальными потерями передать энергию по трассе Земля - космос с включением атмосферного участка, лежат в основе ряда проектов использования мощных СВЧ - пучков для создания свободно локализованных искусственных плазменных областей в атмосфере.
Реализации эффекта
Вариант 1. Сверхвысокочастотный разряд в волноводе.
Разряды в волноводах, возбуждаемые полями бегущей или стоячей электромагнитной волны. При этом или сам волновод наполнен газом, или в него введены газонаполненные диэлектрические трубки. На рис. 2 представлена схема сверхвысокочастотного разряда в волноводе используемого для создания активной среды газового лазера.
Сверхвысокочастотный разряд в волноводе
Рис. 2
Обозначения:
1 - волновод;
2 - отверстие связи;
3 - трубка с прокачкой;
4 - брюстеровские окна;
5 - лазерные зеркала;
6 - радиопоглощающая нагрузка.
Вариант 2. Сверхвысокочастотный разряд в резонаторе (рис. 3).
СВЧ-разряд в резонаторе
Рис. 3
Обозначения:
1 - резонатор;
2 - плазменный цилиндр;
3 - петля связи.
Разряды в резонаторах возбуждаются также либо газонаполненном внутрирезонаторном пространстве, либо в газонаполненном баллоне, расположенном внутри резонатора. Применение резонаторов позволяет относительно просто получать в лабораторных условиях разряды в сверхсильных сверхвысокочастотных электрических полях (до 106 В/см), для достижения которых в свободном пространстве используются генераторы на релятивистских электронных пучках.
Вариант 3. Сверхвысокочастотный разряд в свободном пространстве.
Разряды в свободном пространстве (рис. 4) возбуждаются пучками мощного сверхвысокочастотного излучения.
Сверхвысокочастотный разряд в свободном пространстве
Рис. 4
Обозначения:
1 - диэлектрическая линза, формирующая сходящийся сверхвысокочастотный пучок;
2 - вакуумная камера;
3 - радиопоглощающая нагрузка;
4 - плазма.
Разновидностью такого разряда является несамостоятельный разряд, в котором ионизационное состояние поддерживается внешним (неполевым) источником, а энергия в ионизированную среду вводится с помощью сверхвысокочастотного электрического поля, величина которого меньше порога пробоя.
Литература
1. Физическая энциклопедия.- М.: Большая российская энциклопедия, 1998.- Т.4.- С.422-425.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
