Исследование емкостного высокочастотного разряда в аргоне
Оглавление
Предисловие
Электрический
разряд в газах
Исследование
квазистационарных токов в аргоне
Спектроскопическое
исследование аргона
Заключение.
Литература
Предисловие
К настоящему времени все виды электрического разряда в газах исследуются
и применяются во многих областях науки и техники. Тлеющий, дуговой и импульсные
разряды используются при возбуждении газовых лазеров. Плазматроны, в которых
основным рабочим процессом служит дуговой или ВЧ-разряд, являются важными
устройствами в ряде областей техники, в частности при получении особо чистых
полупроводников и металлов. Мощные плазматроны используются в качестве
реакторов в плазмохимии. На применении искрового разряда основаны прецизионные
методы электроискровой обработки. При фокусировке лазерного светового излучения
происходит пробой воздуха в фокусе и возникает безэлектродный разряд (подобный
ВЧ-разряду и искре), называется лазерной искрой. Мощные, сильноточные разряды в
водороде служили первыми шагами на пути к управляемому термоядерному синтезу.
В современной физике газового разряда наибольший интерес с научной и
прикладной точек зрения вызывают высокочастотные разряды низкого давления, в
частности, емкостной ВЧ разряд (ЕВЧР). Важнейшим элементом физического
механизма последнего являются приэлектродные скачки квазистационарного
потенциала U, формирующие электронные пучки,
которые создают сильно неравновесную плазму с электронным энергетическим
спектром, обогащенным высокоэнергетичными электронами. Дополнительные
преимущества при сравнимых физических параметрах имеет ассиметричный ЕВЧР.
Существует эффективный бесконтактный метод диагностики параметров
приэлектродных слоев пространственного заряда (ПСПЗ) и приэлектродной плазмы
ЕВЧР. Тем не менее, необходимо продолжать разработку методов диагностики ВЧ
разрядов, отличающихся как информативностью, так и достаточной
помехоустойчивостью в условиях интенсивных электромагнитных наводок.
Целью настоящих исследований явились изучение емкостного высокочастотного
разряда в аргоне.
Электрический разряд в газах
Электрический разряд в газах, прохождение электрического тока через
газовую среду под действием электрического поля, сопровождающееся изменением
состояния газа. Многообразие условий, определяющих исходное состояние газа
(состав, давление и т. д.), внешних воздействий на газ, форм, материала и
расположения электродов, геометрии возникающего в газе электрического поля и т.
п. приводит к тому, что существует множество видов электрического разряда в
газах, причём его законы сложнее, чем законы прохождения электрического тока в
металлах и электролитах. Электрический разряд в газах подчиняются закону Ома
лишь при очень малой приложенной извне разности потенциалов, поэтому их
электрические свойсьва описывают с помощью вольтамперной характеристики.
Газы становятся электропроводными при их ионизации. Если газовый разряд
происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию внешнем воздействии
(при действии т. н. внешних ионизаторов), его называют несамостоятельным
газовым разрядом. Электрический разряд в газах, продолжающийся и после
прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным.
Когда ионизация газа происходит при непрерывном действии внешнего
ионизатора и малом значении разности потенциалов между анодом и катодом в газе,
начинается «тихий разряд». При повышении разности потенциалов (напряжения) сила
тока тихого разряда сперва увеличивается пропорционально напряжению (участок
кривой OA на рис. 1), затем рост тока с ростом напряжения замедляется (участок
кривой AB), и когда все заряженные частицы, возникшие под действием ионизатора
в единицу времени, уходят за то же время на катод и на анод, усиления тока с
ростом напряжения не происходит (участок ВС). При дальнейшем росте напряжения
ток снова возрастает и тихий разряд переходит в несамостоятельный лавинный
разряд (участок СЕ на рис. 1). В этом случае сила тока определяется как
интенсивностью воздействия ионизатора, так и газовым усилением, которое зависит
от давления газа и напряжённости электрического поля в пространстве, занимаемом
разрядом.
Тихий разряд наблюдается при давлении газа порядка атмосферного. Внешними
ионизаторами могут быть: естественное радиоактивное излучение, космические
лучи, потоки фотонов (сильное световое облучение), пучки быстрых электронов и
т. д. Ионизаторы двух последних типов используются (преимущественно в
импульсном режиме) в газовых лазерах.
Переход несамостоятельного газового разряда в
самостоятельный характеризуется резким усилением электрического тока (точка Е
на кривой рис. 1) и называется электрическим пробоем газа.
рис. 1: ВАХ тихого разряда
Соответствующее
напряжение U3 называется напряжением зажигания. Фридрихом Пашеном
<#"704761.files/image002.gif">
где: V - напряжение зажигания
в вольтах <#"704761.files/image003.jpg">
Рис. 2: кривые Пашена для различных газов
Разряд после лавинного пробоя принимает форму тлеющего разряда, если давление
газа низко (несколько мм рт. ст.). При более высоком давлении (например, при
атмосферном) лавинное усиление электрического разряда в газах приводит к
возникновению электрического пространственного заряда, что меняет характер
процесса пробоя. Образуется один или несколько узких проводящих (заполненных
плазмой) каналов, исходящих от одного из электродов. Такие каналы называются
стримерами. Время образования стримеров очень мало (около 10-7 сек).
После короткого переходного процесса самостоятельный газовый разряд
становится стационарным. Обычно такой разряд осуществляют в закрытом
изолирующем сосуде (стеклянном или керамическом). Ток в газе течёт между двумя
электродами: отрицательным катодом и положительным анодом.
Одним из основных типов газового разряда, формирующимся, как правило, при
низком давлении и малом токе (участок B на рис. 3), является тлеющий разряд.
Рис. 3
- катодное тёмное пространство;
- тлеющее свечение;
- фарадеево тёмное пространство;
- положительный столб.
Области 1 -3 находятся вблизи катода и образуют катодную часть разряда, в
которой происходит резкое падение потенциала (катодное падение), связанное с
большой концентрацией положительных ионов на границе областей 1-2. В области 2
электроны, ускоренные в области 1, производят интенсивную ударную ионизацию.
Тлеющее свечение обусловлено рекомбинацией ионов и электронов в нейтральные
атомы или молекулы. Для положительного столба разряда вследствие постоянной и
большой концентрации электронов характерны незначительное падение потенциала в
нём, свечение, вызываемое возвращением возбуждённых молекул (атомов) газа в
основное состояние (состояние с наинизшей возможной энергией), и большая
электропроводность.
При увеличении разрядного тока обычный тлеющий разряд становится
аномальным (рис. 3) и начинается стягивание (контракция) положительного столба.
Столб отрывается от стенок сосуда, в нём начинает происходить дополнительный
процесс потери заряженных частиц (рекомбинация в объёме). Предпосылкой этого
является высокая плотность заряженных частиц. При дальнейшем повышении
разрядного тока газ нагревается настолько, что становится возможной его
термическая ионизация. Столкновения между атомами или молекулами в этом случае
столь сильны, что происходит отщепление электронов. Такой разряд называется
дуговым разрядом. С возрастанием тока электропроводность столба повышается,
вольтамперная характеристика дугового разряда приобретает падающий характер
(рис. 3). Следует отметить, что хотя он может «гореть» в широком диапазоне
давлений газа и иных условий, в большинстве случаев дуговой разряд наблюдается
при давлении порядка атмосферного.
Все рассмотренные выше газовые разряды происходят под действием
постоянного электрического напряжения. Однако газовые разряды могут протекать и
под действием переменного электрического напряжения. Такие разряды имеют
стационарный характер, если частота переменного напряжения достаточно высока
(или, наоборот, настолько низка, что полупериод переменного напряжения во много
раз больше времени установления разряда, так что каждый электрод просто
попеременно служит катодом и анодом). Типичным примером может служить
высокочастотный электрический разряд в газах. ВЧ-разряд может «гореть» даже при
отсутствии электродов (безэлектродный разряд). Переменное электрическое поле
создаёт в определённом объёме плазму и сообщает электронам энергию, достаточную
для того, чтобы производимая ими ионизация восполняла потери заряженных частиц
вследствие диффузии и рекомбинации. Внешний вид и характеристики ВЧ-разрядов
зависят от рода газа, его давления, частоты переменного поля и подводимой
мощности. Элементарные процессы на поверхности твёрдого тела (металла или
изолятора разрядной камеры) играют определённую роль только в процессе
«поджига» разряда. Стационарный ВЧ-разряд подобен положительному столбу
тлеющего разряда.
Кроме стационарных разрядов, основные характеристики которых не зависят
от времени, существуют нестационарные (импульсные) разряды. Они возникают по
большей части в сильно неоднородных или переменных во времени полях, например у
заострённых и искривленных поверхностей проводников и электродов. Величина
напряжённости поля и степень его неоднородности вблизи таких тел столь велики,
что происходит ударная ионизация электронами молекул газа. Два важных типа
нестационарного разряда - коронный разряд и искровой разряд.
При коронном разряде ионизация не приводит к пробою, потому что сильная
неоднородность электрического поля, обусловливающая её, существует только в
непосредственной близости от проводов и остриёв. Коронный разряд представляет
собой многократно повторяющийся процесс поджига, который распространяется на
ограниченное расстояние от проводника - до области, где напряжённость поля уже
недостаточна для поддержания разряда. Искровой разряд, в отличие от коронного,
приводит к пробою. Этот разряд имеет вид прерывистых ярких зигзагообразных
разветвляющихся, заполненных ионизованным газом (плазмой), нитей-каналов, которые
пронизывают промежуток между электродами и исчезают, сменяясь новыми. Примером
естественного искрового разряда является молния, длина которой может достигать
нескольких км, а максимальная сила тока - нескольких сотен тысяч ампер.
Исследование
квазистационарных токов в аргоне
Сначала рассмотрим элементарные процессы возле одного из электродов
трубки. Пусть в данный момент времени электрод заряжен положительно.
а) б)
Рис. 4. Элементарные процессы в приэлектродном слое около левого
электрода
На рис. 4(а) показан момент, когда левый электрод имеет положительный
потенциал и электроны положительного столба плазмы движутся к электродам,
создавая прямой ток. На рис. 4(б) показан момент, когда этот электрод имеет
отрицательный потенциал. Электроны положительного столба плазмы уже не могут
преодолеть запирающего поля. Ток теперь может создаваться движением
положительных ионов плазмы, а также электронами, эмитируемыми из электрода за
счет ударов положительных ионов об электрод (γ-процессы).
, 
, 
, 
,
где
- подвижность электронов, 
- подвижность положительных ионов.
Величина этой «обратной» проводимости приэлектродного слоя значительно
меньше, чем величина «прямой» проводимости. Это объясняется тем, что масса
положительного иона в десятки тысяч раз превышает массу электрона и тем, что и
другие γ-процессы не обеспечивают проводимости
приэлектродного слоя близкой к «прямой» проводимости.
Таким образом, около поверхности электрода образуется запирающий слой,
который насыщается свободными электронами, когда электрод положителен и
обедняется электронами, когда отрицателен, т.е. его действия можно моделировать
диодом.
Мы провели серию измерений и получили графики зависимости
квазистационарного напряжения вычисленного по формуле:
=IR
Оказалось, что квазистационарное напряжение в газотроне при данном
давлении и данном расстоянии оказалось равно примерно 12В
Спектроскопическое
исследование аргона
Для изучения спектра газотрона использовались схема, аналогичная схеме на
рисунке 3, но вместо фотоэлемента был подключен монохроматор МУМ, оптическая
схема которого представлена на рисунке 5.
Рис. 5 Оптическая схема МУМ
Принцип работы монохроматора:
Излучение от газотрона 1 через конденсор 2 попадает на входную щель 3 и
посредством зеркала 4 попадает на вогнутую дифракционную решётку 5, которая
выполняет роль фокусирующего и диспергирующего элемента. В МУМ применена
решётка с переменным шагом нарезки и криволинейными штрихами, что даёт
возможность значительно скомпенсировать расфокусировку и другие оберации.
Дифрагированное решёткой излучение направляется в выходную щель 7 (при
выведенном плоском зеркале 6) или в выходную щель 8 (при введённом зеркале).
В данной работе мы использовали щели шириной 0,05мм.
Сканирование спектра осуществляется поворотом решётки 5 на угол ψ
пределах от 6О54/ до
28О44/ , что соответствует длинам волн от 200 до 800нм.
Для фиксирования отдельных частей спектральной картинки мы использовали
фотоаппарат марки CANON 450-D с матрицей 12 MPx и экспозицией 20 сек. Снимки
делались с шагом 5нм в интервале от 300 до 700нм.
Для составления полной спектральной картины и построения графика
интенсивностей использовалось ПО Adobe Photoshop CS2.
Во время работы газотрона между катодом и анодом наблюдается фиолетовое
свечение (рис 6), которое раскладывается в спектр как показано на рисунке 7.
Рис. 6 Свечение газотрона ВГ-176
Рис. 7 График распределения интенсивности и спектр газотрона
В дальнейшем предполагается сравнить спектры для ВЧ тока и постоянного
тока, а так же сравнить спектры положительного столба и приэлектродной плазмы.
газ
электрический разряд аргон
Заключение.
Проанализировав проделанную работу в заключении можно сделать следующие
выводы:
1. Проведены первоначальные экспериментальные исследования ЕВЧР в
аргоне при давлении 2,5 Тор в неоднородном поле между спиралью и плоскостью,
электрическим и спектроскопическим методами.
. Получен подробный спектр излучения аргона при прохождении по
нему ВЧ тока ЕВЧР и получено относительное распределение интенсивности
спектральных линий методом, разработанным на кафедре физики
. Предполагается продолжить исследования, для того чтобы связать
полученные результаты с параметрами плазмы, применив для этого более
современное оборудование.
Литература
1. Александров
А.Л., Рябый В.А., Савинов В.П., Якунин В.Г. Бесконтактный метод изучения
параметров приэлектродной области ВЧ разряда//Физика плазмы.-2002. -т.28.
-с.1086-1092
2. Велихов
E. П., Ковалев А. С., Рахимов А. Т., Физические явления в газоразрядной плазме,
M., 1987
. Грановский
В. Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток, M., 1971
. Жуков
А.А., Бондарева Т.В., Кузнецов В.А. «Получение амплитудно-частотной
характеристики спектра видимого света с использованием цифрового фотоаппарата»
// Учебный эксперимент в высшей школе. Научно-методический журнал. 1/2006, с.
54-62.
. Ковалевский
В.Л., Савинов В.П., Экспериментальное обоснование модели механизма ёмкостного
ВЧ разряда//Физика плазмы.-1994.-т.20.-с.322-332
. Лисовский
В.А., Яковин С.Д.//Журнал физической техники.-2000.
. Райзер
Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А., Высокочастотный ёмкостной разряд.
-м.:наука,1995