Емкостной ВЧ разряд (ЕВЧР) возникает в разряженном газе (0,1–100 мм рт. ст.), находящемся в электрическом поле между плоскими электродами. При этом мгновенное значение тока между электродами есть сумма двух слагаемых: тока «смещения» и тока проводимости. Ток «смещения», согласно уравнениям Максвелла пропорционален скорости изменения вектора электрического поля, т.е. пропорционален частоте электрического поля от внешнего генератора высокой частоты [2].

Ток проводимости – это ток, возникающий движением электронов и ионов в светящемся газе. Если величина тока смещения в среднем значительно превышает величину тока проводимости, то разрядный промежуток может быть в первом приближении моделирован как емкость, включенная в цепь высокой частоты, и вычисления могут проводиться по соответствующим формулам электротехники. Поэтому такой разряд, который может быть приблизительно представлен схемой электротехнического тока, получил наименование емкостного высокочастотного разряда. Электроды могут быть проводящим металлом, соприкасающимся с газовой средой внутри промежутка, а могут быть внешними, т.е. отделенными от газа слоем диэлектрика. В первом случае разряд называется электродным, во втором – безэлектродным. Плазма таких разрядов, как правило, слабо ионизирована, неравновесна и подобна плазме тлеющего разряда.

Интерес к исследованию ЕВЧР возрос в течение последних 20–30 лет в связи с его использованием для нанесения тонких покрытий металлов и диэлектриков (нанотехнологии), а также возможности создания лазеров с регулируемой частотой излучения (нелинейная оптика). Особый интерес представляет исследование ЕВЧР для синтеза и анализа некоторых веществ (плазмохимия) [11].

Исследования проводились с электродным и с безэлектродным разрядом при разных давлениях (от 0,5 мм рт. ст. до 20 мм рт. ст.). Некоторые результаты такого исследования представлены в настоящей работе.

Рис. 15 Разрядная камера с внешними электродами

Разряд горел в зависимости от давления при различных напряжениях порядка 500–1000В.

Рис. 16 Вид разряда в аргоне в камере с внутренними электродами.

Темные пространства аналогичны Фарадеевому пространству тлеющего разряда на постоянном токе. В центре мы наблюдаем светящийся столб газа, аналогичный положительному столбу тлеющего разряда. В отличие от тлеющего разряда на постоянном токе, где положительный столб примыкает к аноду, здесь с обеих сторон имеется темное пространство. Таким образом, в разрядной трубке в один полупериод ВЧ напряжение создается тлеющий разряд с катодом слева, а с анодом справа, а в другой полупериод наоборот. Между светящимся столбом и электродом промежутка имеется активная область – приэлектродный слой пространственного заряда (ПСПЗ), которая и является генератором основных явлений ЕВЧР.

Если давление меньше, то величина приэлектродного слоя увеличивается, и может достигать от долей см. до 2 см., это связано с тем, что при уменьшении давления увеличивается средняя длина свободного пробега электронов.

а)                                             б)

Рис. 17 Вид разряда в аргоне в камере с внешними электродами

Были проведены исследования по методике, предложенной в работе А.Ф. Александров, В.А. Рябный, В.П. Савинов, В.Г. Якунин «Бесконтактный метод изучения параметров приэлектродной области ВЧ разряда». Новизной было то, что в опыте кафедры электроники МГУ использовался гелий, а в нашей работе использовался аргон. Целью исследования было освоение новым методик по изучению ЕВЧР.

Рис. 18 Эквивалентная схема экспериментальной электрической цепи ЕВЧР

Рис. 19 Принципиальная схема установки

В процессе электрического пробоя разрядного промежутка и формирования разряда образуются ПСПЗ, которые обеспечивают выход ЕВЧР на стационарный режим. Как обнаружено экспериментально, в установившемся ЕВЧР за каждый период ВЧ поля (T 10 с) суммарный электрический заряд, приходящий на электрод, равен нулю. Соответственно, квазистационарные параметры конденсатора ПСПЗ: емкость C_s, заряд q_s и толщина слоя d_s остаются постоянными. При этом заряд q_s обеспечивает в ПСПЗ квазистационарную разность потенциалов U_s, благодаря которой за период ВЧ поля заряд поступающих из плазмы на электрод электронов компенсирует приносимый заряд положительных ионов и заряд эмитируемых с поверхности электрода электронов.

В участке электрической цепи ЕВЧР, состоящем из последовательно соединенных емкостей C₀₁, C и C_s1, активным элементом является емкость C , заряд на обкладках которой q  определяют физические процессы в ПСПЗ.

При этом данный квазистационарный заряд q  устанавливается во всех последовательно соединенных емкостях электрической цепи, в том числе и на измерительной емкости

Для измерения квазистационарных напряжений U , U  и U  в экспериментальной схеме использовались вольтметры электростатической системы типа C-95. Таким образом, предложенный метод включает в себя измерение электрического напряжения на нескольких внешних элементах цепи ЕВЧР и вычисление искомых параметров по приведенным формулам с использованием известных конструктивных параметров экспериментальной системы.

 (30)

 (31) 

 для квазистационарного напряжения

, - переменные напряжения, измеряемые приборами С-95

В ходе не сложных математических преобразований получили:

 (32)

 (33)

 (34)

 (35)

 (36)

емкостный разряд ленгмюр зонд

=270 В	=300 В	=300 В	=200 пФ	=140 пФ
=18 В	=10 В	=20 В	=50 пФ	=70 пФ

Р=0,8 Тор.

U =134 В, U =136 В, d =0,19 см, d =1,4 см

Яркость излучения не одинакова вдоль длины промежутка из-за распределенной емкости на землю, так как ток не одинаков в разных сечениях промежутка.

Мы получили скачки потенциала в приэлектродном слое пространственного разряда в аргоне. По порядку величины они оказались схожими с теми, что получила кафедра электроники в МГУ. В дальнейшем предполагается провести исследования на более качественном современном оборудовании.

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.