Емкостной высокочастотный разряд

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Введение

Цель работы – экспериментальное исследование параметров плазы емкостного высокочастотного разряда (ЕВЧР).

Задачи:

– изучить литературу по газовому разряду;

– провести наблюдения и эксперименты по определению параметров плазмы ЕВЧР;

Объектом исследования является ЕВЧР в воздухе, аргоне.

Предметом исследования являются параметры плазмы тлеющего разряда.

Данная работа состоит из введения, двух глав, заключения.

В первой главе изложены теоретические сведения об электрическом разряде в газах и подробно о емкостном высокочастотном разряде. Изложена теория метода зондов Ленгмюра.

Во второй главе рассказывается об описании экспериментальной установки, построении кривых Пашена для различных газов при разных частотах, определении параметров плазмы (электронной температуры, концентрации и подвижности положительных ионов), нахождение скачков потенциала в приэлектродном слое пространственного разряда в аргоне бесконтактным методом.

Актуальность исследования. Несмотря на трехсотлетнюю историю изучения газового разряда и его обширное применение, пока еще не создана окончательная теория разряда, включающая в себя все виды, результаты которой удовлетворительно совпадали бы с экспериментальными фактами. Поэтому любое уточняющее исследования дает свой вклад в развитие этого направления.

Историческая справка

Само название разряд произошло от названия медленно протекающего процесса потери заряда заряженными металлическими телами, расположенными на подставке из изолятора.

Кулон доказал, что заряд стекает с проводника через воздух, то есть имеет место газовый разряд. Разряд при низких давлениях воздуха открыл и исследовал Фарадей – этот разряд стал известен как тлеющий. В конце XIX века исследование проводимости разреженных газов привело Дж. Дж. Томсона к открытию первой элементарной частицы – электрона, а дальнейшие исследования физики газового разряда во многом послужили экспериментальной основой атомной и квантовой физики [14].

Основателем физики газового разряда является Таунсенд, создавший теорию пробоя газа и установивший закономерности ионизации. Весьма значительный вклад в физику газового разряда был внесен Ленгмюром, который ввел фундаментальное понятие – плазма, а также развил методы исследования плазмы, в частности, метод зондов.

Современная физика термин газовый разряд определяет не только как процесс протекания тока через газ, но и любой процесс возникновения ионизации газа под действием приложенного электрического поля. При этом поле может быть не только постоянным во времени, но и быстропеременным – высокочастотным (ВЧ-разряд), сверхвысокочастотным (СВЧ-разряд) и даже оптического диапазона (оптический разряд). В последнее время был открыт пучково-плазменный разряд, загорающийся при прохождении электронного пучка через газ малой плотности вследствие возникновения в такой системе плазменных колебаний СВЧ-диапазона [13].

Емкостной высокочастотный разряд

Тлеющий разряд

Тлеющий разряд – это самоподдерживающийся разряд с холодным катодом, испускающим электроны в результате вторичной эмиссии, главным образом под действием положительных ионов [7].

емкостный разряд ленгмюр зонд

Рис. 1. Тлеющий разряд

Его отличительным признаком является существование вблизи катода слоя определенной толщины с большим положительным объемным зарядом, сильным полем у поверхности и значительным падением потенциала 100–400 В и более. Оно называется катодным падением. Толщина слоя катодного падения обратно пропорциональна плотности или давлению газа. Если межэлектродное расстояние достаточно велико, между катодным слоем и анодом образуется электронейтральная плазменная область, где поле относительно небольшое. Серединную, однородную часть ее называют положительным столбом. От анода он отделяется анодным слоем.

Положительный столб тлеющего разряда постоянного тока – наиболее ярко выраженный и распространенный пример слабо ионизированной неравновесной плазмы, которая поддерживается электрическим полем. В отличие от катодного слоя, без которого тлеющий разряд существовать не может, положительный столб не является его неотъемлемой частью. Если в результате образования катодного слоя промежуток между электродами оказывается исчерпанным, столба нет. Но если не хватает расстояния на формирование должного катодного слоя, тлеющий разряд не загорается.

Разрядный ток

Плотность разрядного тока, т.е. тока, текущего во внешней цепи и, в частности, через электроды, по определению равна скорости изменения плотности поверхностного заряда q на левом электроде (с учетом выбранного направления оси х). Электрод можно считать идеальным проводником. Поля, а потому и тока смещения Е/4π в нем нет. Плотность отрицательного заряда q на электроде совпадала бы по модулю с количеством положительного заряда в левом слое на единице площади end₁, если бы плазма была также идеальным проводником. В плазме имеется весьма заметное поле E_р, которое призвано поддерживать ток и, возможно, состояние ионизации. Согласно законам электростатики оно связано с плотностями поверхностного заряда равенством

(13)

Дифференцируя равенство (13) по времени, находим плотность разрядного тока в видe

(14)

Величина j не зависит от х, будучи одинаковой, во всех сечениях разрядного промежутка. Первое слагаемое представляет собой плотность тока электронов (проводимости плюс поляризации), второе – «чистый» ток смещения. Появление последнего в выражении для сохраняющейся величины j – следствие несовершенства проводящих свойств плазмы. Именно по этой причине заряд в слое отличается по модулю от q, не успевая мгновенно реагировать на изменение заряда на электроде, который поступает из внешней цепи (или уходит во внешнюю цепь) под действием ЭДС источника питания. Подставив в (14) Е_р из (6), придадим выражению для плотности тока вид

(15)

В отсутствие разряда (при п = 0) остается только второе слагаемое. Это реактивный ток, который течет через «вакуумный» конденсатор, образованный двумя электродными пластинами.

Зажигание разряда и появление первого слагаемого в электрическом отношении равносильно подключению параллельно конденсатору некоего комплексного сопротивления (рис. 4), ибо согласно (9) первое слагаемое также пропорционально напряжению V .

Рис. 4 Схемы разрядного промежутка: а) в отсутствии разряда; б) соответствующая разрядному току (15)

Однако появление достаточно хорошо ионизированной плазмы внутри конденсатора столь резко меняет характер электрической системы, что более адекватной, является эквивалентная электрическая схема с последовательным включением элементов.

«Импеданс» разрядного промежутка с плазмой.

Подставляя (9) в (15) и совершая небольшое преобразование, запишем

(16)

Величина Z имеет смысл импеданса (комплексного сопротивления) на единицу площади промежутка между электродами с плазмой внутри. Здесь электрическая система является нелинейной, так как величины А и п в Z сами зависят от амплитуды напряжения, т.е. они определяются уравнениями (10) и баланса числа зарядов. Если найти и подставить функции А( V_a ) и n ( V _а ) в (16), можно получить зависимость j_a от V_а, т.е. ВАХ разряда. Несмотря на то, что А и п в (16) зависят от V , выражению для Z полезно дать интерпретацию так, как будто А и n – фиксированные величины, т.е. как будто Z – истинный импеданc электрической системы.

В пределе достаточно сильной ионизации, когда ω_p² >> ω² и ω_р²>> ωυ_m (ω_p²~ n), что и в самом деле свойственно ВЧ разрядам, интерпретация очень наглядна. В этом предельном случае

(17)

Где σ_t – комплексная проводимость плазмы.

Величина 1/(8πА) есть эквивалентная емкость (на единицу площади) двух последовательно включенных емкостей, соответствующих слоям. Каждая из них по отдельности меняется во времени, но эквивалентная емкость двух слоев неизменна. Таким образом, в соответствии с (17) электрическую систему можно рассматривать как последовательное соединение емкостей слоев комплексного сопротивления плазмы (рис. 5).

Рис. 5 Схемы ВЧЕ разряда, соответствующие импедансу (17):

а) слои представлены отдельными емкостями;

б) емкости слоев объединены.

Средние и низкие давления

ВЧЕ разряды в этих диапазонах давлений имеют довольно заметные различия. Граница между диапазонами, конечно, весьма размыта, она зависит и от конкретного признака, по которому наблюдается различие, и от конкретных условий: размеров, геометрии, рода газа, частоты. Но в общем, условно ее можно провести где-то в районе Р ~ 1 Торр.

Приведем некоторые из наиболее резко бросающихся в глаза различий:

- В α-разряде при средних давлениях наблюдается эффект нормальной плотности тока, при низких – нет. Это значит, что в первом случае на достаточно большом электроде разряд занимает не всю площадь, а во втором покрывает электрод полностью. Если параллельные плоские электроды имеют разные площади, в первом случае это не сказывается на размере токовых пятен на каждом из электродов, т.е. сам разряд все равно симметричен относительно средней между электродами плоскости. При низких давлениях, напротив, разряд стремится заполнить всю площадь электродов, и, следовательно, в асимметричной системе ток тоже асимметричен.

- В разряде среднего давления α- и γ-переход происходит скачком: резко перестраиваются структура разряда и слои, резко меняется плотность тока на электроде и ВАХ. В разряде низкого давления скачков не наблюдается, и на непрерывной ВАХ появляется лишь излом.

- В γ-разряде среднего давления в средней части межэлектродного промежутка плазма обладает довольно значительной электронной температурой, мало отличающейся от таковой в α-разряде. При низких давлениях электронная температура в плазме γ-разряда исключительно низка: гораздо меньше, чем в α-разряде.

Эти различия связаны с особенностями протекающих в разряде процессов и их закономерностями.

Методика измерений

Заключение

В ходе выполнения данной выпускной квалификационной работы приобретены навыки экспериментальной работы с приборами. Изучив и проанализировав литературу по теории газового разряда, экспериментально был исследован емкостной высокочастотный разряд при давлениях от 0.1 мм рт. ст. до 5 мм рт. ст. при различных частотах.

Изготовлена экспериментальная установка для изучения плазмы методом зондов Ленгмюра.

Изготовлена экспериментальная установка и проведен эксперимент по определению параметров плазмы методом зондов Ленгмюра. Получены вольтамперные характеристики разряда и кривые Пашена при различных частотах, а также вычислены электронная температура ( ), концентрация положительных ионов ( ) и их подвижность ( ). Измеренные параметры, представлены в таблице, удовлетворительно совпадают с теоретическими значениями.

Проведены исследования высокочастотного разряда в аргоне по статье А.Ф. Александрова и В.П. Савинова с целью освоения новых методик по изучению ЕВЧР. Мы получили скачки потенциала в приэлектродном слое пространственного разряда в аргоне бесконтактным методом U =134 В, U =136 В. По порядку величины они оказались схожими с теми, что получила кафедра электроники в МГУ. В дальнейшем предполагается провести исследования на более качественном современном оборудовании.

Хочется выразить особую благодарность Антонову С.Д., Бондаревой Т.В. в освоении нового оборудования и сборки экспериментальной установки и Петрову Д.В. в проведении эксперимента.

Литература

1. Александров А.Ф., Богданкевич Л.С., Рухадзе А.А. Основы электродинамики плазмы. М.: Высш. шк., 1988.

2. Александров А.Ф., Рябный В.А., Савинов В.П., Якунин В.Г. Бесконтактный метод изучения параметров приэлектродной области ВЧ разряда.

3. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда М.: Наука. 1961 г.

4. Вопросы теории плазмы. М. 1967 г.

5. Жуков А.А. Искровой пробой газа. Хабаровск, 2000 г.

6. Кролл Н., Трайвелпис А. Основы физики плазмы. М.: Мир, 1975.

7. Михайловский А.Б. Теория плазменных неустойчивостей. В 2 т. М.: Атомиздат, 1975–1977. Т. 1, 1975; Т. 2, 1977.

8. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высокочастотный емкостной разряд: Физика. Техника эксперимента. М.: Наука, 1995 г.

9. Трубников Б.А. Теория плазмы: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1996.

10. Таблицы физических величин. Справочник под ред. Кикоина И.К. – М.: Наука, 1976 г.

11. Физический энциклопедический словарь. / Под ред. Прохорова А.М. – М.: Советская энциклопедия, 1983 г.

12. Франк-Каменецкий Д.А. Лекции по физике плазмы. М.: Атомиздат, 1968.

13. Чернетский А.В. Введение в физику плазмы. М. 1969 г.

14. Шпольский Э.В. Атомная физика. М-Л., гостехиздат, 1950 г.

15. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводный том. Ч. I–IV/ Под ред. В.Е. Фортова. М.: Наука, 2000.