Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Описание экспериментальных установок и методик экспериментов 18
1.1. Описание экспериментальных установок 18
1.2. Методы диагностики и точность измерения различных параметров 30
ГЛАВА 2. Механизм образования плазменного ореола вокруг разряда . 57
2.1. Обнаружение плазменного ореола вокруг СВЧ разряда 57
2.2. Измерение сечения фотопоглощения ионизирующего излучения 61
2.3. Определение абсолютной интенсивности излучения СВЧ разряда в вакуумной ультрафиолетовой области спектра 72
2.4. Обсуждение полученных результатов, сравнение их с результатами других работ 77
ГЛАВА 3. Термический СВЧ разряд 84
3.1. Экспериментальное исследование термического СВЧ разряда. 84
3.2. Фотоионизационный механизм движения термического СВЧ разряда . 99
ГЛАВА 4. Неравновесный СВЧ разряд .
4.1. Порог перехода СВЧ разряда в неравновесный режим. 111
4.2. Дозвуковое движение неравновесного СВЧ разряда 119
4.3. Сверхзвуковое движение разряда. 130
4.4. Фотоионизационный механизм сверхзвукового движения СВЧ разряда 144
4.5. Заключение 150
Приложение I. Несамостоятельный СВЧ разряд в пучке электро магнитных волн 153
- Методы диагностики и точность измерения различных параметров
- Определение абсолютной интенсивности излучения СВЧ разряда в вакуумной ультрафиолетовой области спектра
- Фотоионизационный механизм движения термического СВЧ разряда
- Фотоионизационный механизм сверхзвукового движения СВЧ разряда
Введение к работе
Диссертация посвящена экспериментальному исследованию сверхвысокочастотного разряда высокого давления, возникающего в волновом электромагнитном поле. Интерес к исследованию СВЧ разряда возник, главным образом, благодаря успехам современной электроники, сделавшим доступными генераторы СВЧ излучения большой мощности [I] и связан с возможностью различных практических применений этого явления. С помощью мощных генераторов можно поддерживать плазму СВЧ разряда с различными свойствами, она может быть либо квазиравновесной, либо сильно неравновесной. Равновесные и неравновесные СВЧ плазмотроны (генераторы плазмы, использующие СВЧ разряд), имеющие ряд преимуществ перед ВЧ плазмотронами и плазмотронами постоянного тока, в последнее время находят все большее применение в плазмохимии [2-6], в плазменной металлургии, при создании мощных газовых лазеров 17,8] и т.д.
Использование пучков электромагнитных волн позволяет локализовать разряд вдали от стенок камеры, что оказывается весьма ценным обстоятельством при получении сверхчистых веществ, напылении тонких пленок, обработке чистых поверхностей, в плазмохимии. Разрядг в двух сходящихся пучках может использоваться в технике дальней радиосвязи как способ создания искусственных радиоотражающих плазменных областей в атмосфере и ионосфере f 9, 0J . Следует отметить недавние работы, затрагивающие пробле -o му передачи энергии на расстоянии при помощи СВЧ пучков Li1,i2l. Эти работы направлены на исследование возможности прямого преобразования энергии СВЧ волны в механическую энергию и энергию постоянного тока.
Выше были перечислены приложения, для которых разряд является положительным явлением, возникновение же разряда в линиях передач нежелательно. Изучение условий возникновения и развития разряда в передающих СВЧ линиях [13-161 позволяет увеличить предельную передаваемую СВЧ мощность.
Настоящая работа также в значительной мере исходит из потребности приложений, и хотя детальная разработка какого-либо из них не ставиласть ее целью, полученные результаты позволяют сделать определенные выводы относительно возможности и эффективности некоторых практических приложений СВЧ разряда. Непосредственной целью работы является исследование механизмов распространения разряда, возникающего в поле электромагнитных волн в газах при давлении, близком к атмосферному. Результаты исследования могут использоваться для анализа разрядов, поддерживаемых электрическим полем волны, распространяющейся как по канализирующим системам, так и в свободном пространстве.(СВЧ пучки).
Проведем классификацию основных типов разрядов. По условиям возникновения и поддержания мы будем различать: самостоятельный разряд, возникающий в невозмущенном газе под действием электромагнитного поля волны, амплитуда которого превышает пробойное значение (частота ионизации больше эффективных потерь электронов) IW] ; стимулированный разряд [18-22], возникающий в допро-бойных полях при условии предварительного воздействия на газ (нагрев, возбуждение, ионизация); несамостоятельный разряд, характеризующийся постоянным поддержанием уровня ионизации за счет стороннего источника С8] (для этого может использоваться ультрафиолетовое излучение, либо релятивистский электронный пучок). Данная работа посвящена исследованию стимулированного и несамостоятельного СВЧ разрядов в газах.
Предварительное воздействие на газ с целью "поджигания" стимулированного разряда назовем инициацией. В различных экспериментах инициация осуществлялась при помощи лазерной искры 121] , СВЧ разряда около металлических неоднородностей ["/4,24,25] , предварительной ионизации газа L& 23] . Как показали эксперименты, стимулированный разряд может существовать и после окончания действия инициатора. В таком случае разряд, поглощая энергию СВЧ поля, сам воздействует на газ и поддерживает его в необходимом для горения состоянии. Выход на режим самоподдержания сопровождается движением разряда навстречу СВЧ волне. Механизмы распространения разряда связаны с изменением состояния газа в соседних с разрядом областях вследствие различных процессов переноса. Данная работа не СТЭБИТ своей целью исследование способов инициации разряда (они достаточно известны из литературы, см. выше), основное внимание сосредоточено на изучении общих закономерностей самоподдержания и распространения разряда.
В условиях эксперимента возможна реализация двух резко отличающихся состояний разряда. Первое - это термический разряд. Он возникает при малых амплитудах поля в волне, когда отрыв температуры электронов от температуры газа незначителен. Плазма разряда может возникать только в результате сильного нагрева газа, который происходит из-за поглощения энергии СВЧ волны 146,24,25) . Такой разряд является квазиравновесным разрядом. Концентрация плазмы в нем соответствует равновесной ионизации и может быть вычислена по формуле Саха. Однако, полное термодинамическое равновесие отсутствует, в частности, излучение разряда неравновесно, оно сосредоточено в основном в атомарных и молекулярных линиях. Другое состояние разряда - неравновесный разряд. Под неравновесным разрядом понимается разряд, температура электронов в котором, поддерживаемая высокочастотным полем, существенно отличается от температуры газа. Б таком разряде равновесная концентрация электронов, соответствующая температуре газа, мала, и для нахождения степени ионизации необходимо детальное знание процессов рождения и гибели заряженных частиц [21,26J .
Исследование СВЧ разряда показало, что в широком интервале значений плотности мощности основную роль в его динамике играет плазменный ореол. Он образуется вокруг разряда в результате фотоионизации газа ультрафиолетовым излучением разряда. Поэтому одной из целей работы является исследование параметров ореола и механизмов его образования.
В работе основное внимание уделяется изучению процессов взаимодействия волнового электрического поля с плазмой разряда, определяемых электродинамикой (макропроцессы) и не ставится целью исследование кинетики процессов (микропроцессы)3 . Для оценки величин, определяемых кинетикой, используются константы процессов, известные из литературы, в частности, значения констант, полученные теоретически или экспериментально для разряда в постоянном поле. Это возможно, т.к. функции распределения электронов по энергиям в постоянном и СВЧ полях при высоких давлениях газа (когда частота столкновений электронов с молекулами больше циклической частоты поля) близки, если, при прочих равных условиях, поле в разряде постоянного тока совпадает с действующим СВЧ полем.
Именно наличие волнового электрического поля принципиально отличает приведенные в данной работе исследования от исследований разряда в постоянных и квазистатических полях. Постановка эксперимента с СВЧ разрядом в пучке электромагнитных волн с инициатором близка к постановке эксперимента с лазерной искрой вблизи мишени. Тем не менее, СВЧ разряд имеет свои специфические особенности, определяющие самостоятельное значение проводимых исследований. Эксперименты показали, что нельзя провести прямую аналогию между СВЧ и оптическим разрядом. Исключение составляет только разряд при малых значениях плотности потока энергии, когда реализуется теплопроводностный механизм движения (типа медленного горения), обнаруженный первоначально в оптических разрядах и наблюдавшийся затем в СВЧ разряде (смЛ2?7 и цитированную там литературу).
Перейдем теперь к краткому обзору состояния исследований разряда, возникающего в электромагнитных волнах. Здесь основное внимание уделим исследованиям разряда при допробойных значениях амплитуды поля в волне, и лишь кратко перечислим работы, посвященные самостоятельному разряду.
Первые наблюдения СВЧ разряда в волновых полях были проведены более 30 лет назад. ( С28J - самая ранняя известная нам публикация по этому вопросу). Разряд возникал в волноводных трактах при передаче мощного СВЧ излучения. В течение длительного времени исследования разряда велись только в направлении определения электрической прочности СВЧ устройств. Исследования сводятся в основном, к измерению величины пробойной мощности вблизи различных волноводных элементов и зависимости ее от давления газа (см. монографии С44,15] ). До сих пор, несмотря на то, что первое наблюдение разряда проводилось давно, работ по исследованию механизма поддержания и движения разряда сравнительно мало.
Первые эксперименты по исследованию движения СВЧ разряда опубликованы в [5J и относятся к шестидесятым годам. Разряд зажигался в волноводе при атмосферном давлении воздуха, плотность потока СВЧ энергии составляла I кВт/см . В таких условиях реализуется термический СВЧ разряд. Позже детальное исследование свойств термического разряда проводилось в связи с созданием равновесных СВЧ плазмотронов [29,30] . Модель движения равновесного СВЧ разряда была предложена в работах 155,3 ] , ее экспериментальное подтверждение дано в 13-і,32] . Процесс переноса, который определяет стационарность движения разряда, - теплопроводность. Теплопроводность ограничивает температуру газа в разряде и обеспечивает перемещение разряда по газу. Наряду с теплопроводностным движением существует конвективное движение разряда вместе с нагретым в разряде газом35 .
Большое влияние на исследования, описанные в данной работе, оказали работы, проведенные коллективом авторов в ИОФ АН СССР. Ими исследовался неравновесный СВЧ разряд в пучке электромагнитных волн при высоких давлениях воздуха и азота и допробойных значениях амплитуды поля в волне (см.С Ч 35-37] ). В этих работах впервые наблюдалось сверхзвуковое движение фронта ионизации стимулированного разряда в азоте, проводилось исследование роли нагрева газа в поддержании разряда, а также была высказана гипотеза об определяющей роли ультрафиолетового излучения в его динамике .
Интересно отметить работы по исследованию стимулированного СВЧ разряда в других газах, в которых поддержание разряда и его движение определяются другими процессами. В работе C22J экспериментально и теоретически исследовался СВЧ разряд в допробойных полях при высоких давлениях углекислого газа. Здесь движение разряда определяется диффузией молекул СО , образующихся в разряде и приводящих к отлипанию электронов, т.е. к уменьшению их потерь. Поддержание и движение инициированного СВЧ разряда в инертных газах, по мнению авторов работ И8 20,42], определяется диффузией резонансного ультрафиолетового излучения. Диффузия излучения приводит к образованию перед разрядом возбужденных атомов, что снижает порог пробоя.
Кратко остановимся на работах, предшествующих исследованиям, которые описаны в приложениях. Экспериментальное исследование несамостоятельного разряда в постоянном и ВЧ поле описано в большом количестве публикаций (см., например, [43,44J и цитирован стоятельный СВЧ разряд в пучке электромагнитных волн для создания активной среды мощного СО? лазера и в плазмохин, были сформулированы преимущества СВЧ разряда перед традиционной схемой тлеющего разряда.
Исследование динамики разряда в возбужденном и нагретом газе опираются на более ранние работы по изучению эффективности отлипания электронов от отрицательных ионов в условиях тлеющего разряда [45] . В отличие от ІН5] в настоящей работе основное внимание уделяется процессу развития разряда.
Исследования самостоятельного СВЧ разряда, когда амплитуда поля в волне превышает пробойное значение, проводились большим числом авторов и более детально, см. например [6, Ц6 -ЦВ] . Здесь особое место занимают работы по исследованию разряда в скрещенных пучках электромагнитных волн І49 52] . Большой интерес представляют теоретические работы, в частности, по исследованию неустойчивостей самостоятельного разряда [53-54] , которые развиваются, видимо, и в стимулированном разряде.
Перейдем к краткому изложению содержания диссертации. Диссертация посвящена экспериментальному исследованию СВЧ разряда высокого давления. Эксперименты проводились в волновом электромагнитном поле, плотность потока мощности могла изменяться от 0,7 до 150 кВт/см2, максимальная длительность импульса 20 мс. Подробное описание экспериментальных установок и методик измерения различных параметров приведено в главе I.
В диссертации приводится последовательное описание различных типов разрядов, возникающих при увеличении плотности потока СВЧ энергии. В диапазоне плотности мощности от 0,7 до 3 кВт/см реализуется термический разряд (глава 3), в диапазоне от 3 до 20 кВт/сиг - неравновесный разряд, двигающийся с дозвуковой
скоростью (п.4.2), в диапазоне от 20 до 100 кВт/сьг - неравновесный разряд, двигающийся со сверхзвуковой скоростью (п.4.3 -4.4).
Как уже говорилось выше, определяющую роль в динамике СВЧ разряда играет плазменный ореол, образующийся в результате фотоионизации газа ультрафиолетовым излучением разряда. Описанию параметров и механизма образования ореола посвящена глава 2. В п.2.1 описываются эксперименты, позволившие обнаружить плазменный ореол и измерить концентрацию электронов в нем. Приводится доказательство того, что ореол создается ультрафиолетовым излучением разряда. В п.2.2 по измерениям пространственного распределения плазмы в ореоле вычислено сечение фотоионизации газа излучением СВЧ разряда. Показано, что в воздухе ореол образуется при фотоионизации молекулярного кислорода излучением атомарного кисло рода (Л = 102,57 нм), образующегося в разряде в результате диссоциации. В п.2.3 показано, что в излучении СВЧ разряда в области вакуумного ультрафиолета преобладает линейчатый спектр атомов. Интенсивности излучения линии 102,57 нм достаточно для создания плазменного ореола с концентрацией электронов, наблюдаемой в экстр о перименте 10 см . В последнем параграфе на основе сравнения полученных результатов с результатами других авторов определяется место работы, описанной в данной главе, среди других работ по исследованию плазменного ореола. Обсуждаются границы применимости предложенной модели.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию термического СВЧ разряда в пучке электромагнитных волн. В п.3.1 приводятся результаты экспериментального исследования разряда: зависимость скорости его движения от плотности СВЧ мощности,
распределения плотности плазмы вдоль направления движения. Доказывается, что разряд, действительно, носит термический характер. В п.3.2 сравниваются полученные экспериментальные результаты с теоретическими выводами, сделанными на основе теплопро-водностной модели движения термического разряда. Показано, что ряд экспериментальных данных не укладывается в рамки модели. Обсуждается новый фотоионизационный механизм движения разряда, удовлетворительно описывающий экспериментальные результаты. Он связан с нагревом газа перед фронтом термоионизации до температуры "- 6000 К0 за счет поглощения СВЧ энергии в плазменном ореоле, возникающем под действием ионизирующего ультрафиолетового излучения из области термического разряда.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования неравновесного СВЧ разряда. При увеличении интенсивности СВЧ излучения в плазме разряда растет отрыв температуры электронов от температуры газа, и, начиная с некоторого порогового уровня плотности потока СВЧ энергии, концентрация плазмы в разряде будет заметно больше, чем концентрация, определяемая термоионизацией. Разряд станет неравновесным. В п.4.1 описываются эксперименты по определению пороговой плотности потока СВЧ энергии для смены характера ионизации газа в разряде с термического на неравновесный, приводится обсуждение процессов, которые необходимо учитывать для правильного вычисления пороговой мощности. Параграф 4.2. посвящен экспериментальному исследованию дозвукового движения неравновесного СВЧ разряда. Показано, что стационарное движение такого разряда определяется нагревом газа в плазменном ореоле, но в отличие от термического разряда газ греется не до температуры 6000 К, а до значительно меньших температур, зависящих от амплитуды СВЧ поля в волне.
В п.4.3 описываются исследования сверхзвукового движения неравновесного разряда. Обнаружено скачкообразное перемещение фронта ионизации, т.е. движение фронта ионизации представляет собой последовательное рождение перед разрядом все новых и новых плаз-моидов на некотором расстоянии друг от друга. Усредненная скорость движения разряда превышает скорость отдельных плазмоидов. Исследование плазменного ореола показало, что в ореоле перед разрядом существует локальньтй максимум концентрации электронов. Максимум является предвестником скачка, абсолютное значение концентрации электронов в ореоле /Vg IO см .
Для определения роли нагрева газа в его динамике проводились специальные эксперименты. Измерения описанные в приложениях, показывают, что поддержание СВЧ разряда при плотности потока СВЧ энергии 100 кВт/сьг возможно только при нагреве газа (имеется в виду почти изобарический нагрев). При помощи рефракционного датчика была обнаружена область с меньшей плотностью молекул, возникающая в результате нагрева газа в ореоле.
Обсуждение механизма сверхзвукового движения разряда вынесено в п.4.4. Здесь надо заметить, что названия разрядов дозвуковой и сверхзвуковой даны по формальному признаку сравнения скорости движения разряда со скоростью звука. Однако основное отличие разрядов, и это отличие принципиально, заключается не в этом. В наших экспериментах при дозвуковом движении разряда характерное время нагрева газа в области ореола Z » VQ (где Ср-время релаксации энергии, полученной молекулой от электрона, в тепло), тогда как при сверхзвуковом Г Т о . В плазменном ореоле, находящемся в СВЧ поле допробойной амплитуды, основная доля
энергии электронов передается в колебания молекул азота, поэтому сокращение времени Г приводит к отрыву колебательной температуры газа от поступательной. В условиях, которые реализуются при сверхзвуковом движении разряда, в плазменном ореоле возможно возникновение сильной колебательной неравновесности газа. Такая неравновесность усложняет процессы, протекающие в разряде, поэтому нужны специальные доказательства роли нагрева газа в ореоле в динамике разряда. В п.4.4. показано, что и сверхзвуковое движение разряда связано с нагревом газа в плазменном ореоле. Сравнивается темп нагрева газа, наблюдаемый в эксперименте, с темпом нагрева, полученным в расчетах [55]. Приводится объяснение скачкообразной формы движения разряда.
В п.4.5 приводятся зависимости температуры газа и температуры электронов от плотности потока СВЧ энергии, устанавливающиеся в квазистационарном разряде. Эти зависимости носят качественный,иллюстративный характер. Они показывают, что, изменяя величину плотности потока СВЧ энергии, можно изменять степень неравновесности плазмы в разряде.
В приложении I описываются исследования несамостоятельного СВЧ разряда, созданного ультрафиолетовым излучением стороннего источника. Проведено определение изменения величины пробойного поля в условиях сильной колебательной неравновесности, показано, что несамостоятельный СВЧ разряд оказывается более устойчивым, чем несамостоятельный тлеющий разряд. В приложении 2 описывается исследование динамики СВЧ разряда в условиях предварительного нагрева и возбуждения газа. Как показали эксперименты, в таких условиях возможно развитие рекомбинационного режима горения разряда в воздухе. Разряд в таком режиме горения оказывается более устойчив по отношению к разбиению его на отдельные плазмоиды в результате развития ионизационно-перегревной неустойчивости.
В заключении диссертации приводятся основные результаты работы.
Перечислим основные положения диссертации, выносимые на защиту.
1. Экспериментальное обнаружение и исследование параметров плотного плазменного ореола, существующего вокруг СВЧ разряда. Определение механизма образования плазменного ореола.
2. Экспериментальное исследование движения СВЧ разряда навстречу электромагнитной волне, проведенное в широком диапазоне значений плотности потока СВЧ энергии.
3. Создание качественной модели фотоионизационного механизма движения термического и неравновесного СВЧ разрядов.
4. Экспериментальное определение порога смены термической ионизации на неравновесную в СВЧ разряде.
5. Экспериментальное исследование динамики СВЧ разряда в возбужденном и нагретом воздухе. Экспериментальное подтверждение стабилизирующего влияния рекомбинации на развитие ионизационно-перегревной неустойчивости.
6. Экспериментальное исследование устойчивости несамостоятельного СВЧ разряда Е пучке электромагнитных волн. Измерение величины удельного энерговклада в газ при условии сохранения устойчивого горения разряда.
Настоящая диссертация Еключает в себя работы, выполненные автором в период с 1977 по 1984 гг. в Институте прикладной физики АН СССР. Материалы диссертации докладывались на УУ Международной конференции по явлениям в ионизационных газах (Минск, 1981г.), на УІ Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Ленинград, 1983 г.), на Всесоюзном семинаре "Приборы и методы ВУФ спектроскопии. Диагностика плазмы" (Таллин, 1982 г.), а также на семинарах Института прикладной физики АН СССР, Физического института АН СССР и опубликованы в работах [8,46,23,24,26,55-5%]
Выражаю искреннюю благодарность своему руководителю А.Г.Лит-ваку, коллегам, в соавторстве с которыми выполнены работы, вошедшие в диссертацию. Я горячо благодарен С.В.Голубеву за помощь, оказанную им на всех этапах подготовки диссертации. Большое спасибо М.А.Миллеру за внимание к работе и ценные замечания.
Методы диагностики и точность измерения различных параметров
Для определения роли нагрева газа в его динамике проводились специальные эксперименты. Измерения описанные в приложениях, показывают, что поддержание СВЧ разряда при плотности потока СВЧ энергии 100 кВт/сьг возможно только при нагреве газа (имеется в виду почти изобарический нагрев). При помощи рефракционного датчика была обнаружена область с меньшей плотностью молекул, возникающая в результате нагрева газа в ореоле.
Обсуждение механизма сверхзвукового движения разряда вынесено в п.4.4. Здесь надо заметить, что названия разрядов дозвуковой и сверхзвуковой даны по формальному признаку сравнения скорости движения разряда со скоростью звука. Однако основное отличие разрядов, и это отличие принципиально, заключается не в этом. В наших экспериментах при дозвуковом движении разряда характерное время нагрева газа в области ореола Z » VQ (где Ср-время релаксации энергии, полученной молекулой от электрона, в тепло), тогда как при сверхзвуковом Г Т о . В плазменном ореоле, находящемся в СВЧ поле допробойной амплитуды, основная доля энергии электронов передается в колебания молекул азота, поэтому сокращение времени Г приводит к отрыву колебательной температуры газа от поступательной. В условиях, которые реализуются при сверхзвуковом движении разряда, в плазменном ореоле возможно возникновение сильной колебательной неравновесности газа. Такая неравновесность усложняет процессы, протекающие в разряде, поэтому нужны специальные доказательства роли нагрева газа в ореоле в динамике разряда. В п.4.4. показано, что и сверхзвуковое движение разряда связано с нагревом газа в плазменном ореоле. Сравнивается темп нагрева газа, наблюдаемый в эксперименте, с темпом нагрева, полученным в расчетах [55]. Приводится объяснение скачкообразной формы движения разряда.
В п.4.5 приводятся зависимости температуры газа и температуры электронов от плотности потока СВЧ энергии, устанавливающиеся в квазистационарном разряде. Эти зависимости носят качественный,иллюстративный характер. Они показывают, что, изменяя величину плотности потока СВЧ энергии, можно изменять степень неравновесности плазмы в разряде.
В приложении I описываются исследования несамостоятельного СВЧ разряда, созданного ультрафиолетовым излучением стороннего источника. Проведено определение изменения величины пробойного поля в условиях сильной колебательной неравновесности, показано, что несамостоятельный СВЧ разряд оказывается более устойчивым, чем несамостоятельный тлеющий разряд. В приложении 2 описывается исследование динамики СВЧ разряда в условиях предварительного нагрева и возбуждения газа. Как показали эксперименты, в таких условиях возможно развитие рекомбинационного режима горения разряда в воздухе. Разряд в таком режиме горения оказывается более устойчив по отношению к разбиению его на отдельные плазмоиды в результате развития ионизационно-перегревной неустойчивости.
В заключении диссертации приводятся основные результаты работы. Перечислим основные положения диссертации, выносимые на защиту. 1. Экспериментальное обнаружение и исследование параметров плотного плазменного ореола, существующего вокруг СВЧ разряда. Определение механизма образования плазменного ореола. 2. Экспериментальное исследование движения СВЧ разряда навстречу электромагнитной волне, проведенное в широком диапазоне значений плотности потока СВЧ энергии. 3. Создание качественной модели фотоионизационного механизма движения термического и неравновесного СВЧ разрядов. 4. Экспериментальное определение порога смены термической ионизации на неравновесную в СВЧ разряде. 5. Экспериментальное исследование динамики СВЧ разряда в возбужденном и нагретом воздухе. Экспериментальное подтверждение стабилизирующего влияния рекомбинации на развитие ионизационно-перегревной неустойчивости. 6. Экспериментальное исследование устойчивости несамостоятельного СВЧ разряда Е пучке электромагнитных волн. Измерение величины удельного энерговклада в газ при условии сохранения устойчивого горения разряда. Настоящая диссертация Еключает в себя работы, выполненные автором в период с 1977 по 1984 гг. в Институте прикладной физики АН СССР. Материалы диссертации докладывались на УУ Международной конференции по явлениям в ионизационных газах (Минск, 1981г.), на УІ Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Ленинград, 1983 г.), на Всесоюзном семинаре "Приборы и методы ВУФ спектроскопии. Диагностика плазмы" (Таллин, 1982 г.), а также на семинарах Института прикладной физики АН СССР, Физического института АН СССР и опубликованы в работах [8,46,23,24,26,55-5%] Выражаю искреннюю благодарность своему руководителю А.Г.Лит-ваку, коллегам, в соавторстве с которыми выполнены работы, вошедшие в диссертацию. Я горячо благодарен С.В.Голубеву за помощь, оказанную им на всех этапах подготовки диссертации. Большое спасибо М.А.Миллеру за внимание к работе и ценные замечания.
Определение абсолютной интенсивности излучения СВЧ разряда в вакуумной ультрафиолетовой области спектра
В (1.7) универсальный параметр Ned/ ) полностью определяет эффективность поглощения диагностической СВЧ волны Е плазме. Ошибку вычисления концентрации электронов л/ve » связанную с использованием приближенных формул, проиллюстрируем на следующем примере. Точность вычисления будет выше 10$, если при а = I см A/e/i) Ю с «см. Ошибка измерения отношения /Ve/ ) определяется, в основном, недостаточным знанием распределения плазмы ЕДОЛЬ линии, т.е. ошибкой определения эффективной толщины слоя а и составляла в разных экспериментах от 10 до 50$ (см. в соответствующих главах).
В тех экспериментах, где необходима Еысокая точность определения концентрации плазмы, например при вычислении удельного энерговклада в газ, использовалась частично изолированная двухпроводная линия, что позволяло с большой точностью определять а .
Схема частично изолированной двухпроводной линии показана на рисі.13. ПроЕолочки линии защищались диэлектриком диаметром 4 мм на всей длине, кроме d - 1-І 2 см. На рисі. 13 область с изолированными проволочками показана цифрой I, а область без изоляции - 2. Для уменьшения коэффициента отражения от границ областей 1,2,Е качестве изолятороЕ использовались полые бумажные цилиндры, так что диэлектрическую проницаемость изолятора можно считать равной I. Коэффициент прохождения од через частично изо k С О С Р Вчи. Ь.И. Лакииа. лированную линию определяется поглощением излучения Е области I и области 2 и отражением от границ области I и области 2. (Поглощение излучения Е области I определяется поглощением плазмой СВЧ поля,существующего ЕНЄ изоляторов.) Эксперименты проводились таким образом, чтобы основной ЕКЛЭД вносило поглощение в области 2. Оценить влияние отражений на точность измерения частично изолированной линии можно так же, как это было сделано выше, аппроксимируя плазму плоским слоем. Для оценки примем в области I 6у = I, о = I, Е области 2 0= to , тогда будут справедливы равенства (1.5),(1.7). Для оценки поглощения СВЧ излучения в области I воспользуемся выражением, полученным Е [65] . Оценку точности будем делать так же, предполагая распределение плазмы плоскослоистым и пренебрегая отражением от СЛОЄЕ, тогда размеры Го , R , понятны из рисі. 13. Оценка показывает, что в условиях эксперимента поглощение в области I не превышает (10-20)$ от поглощения в области 2.
Таким образом, в условиях эксперимента для вычисления концентрации электронов по измерениям коэффициента прохождения пробной СВЧ волны можно пользоваться выражением (1.7). В некоторых экспериментах измерение концентрации электронов производилось одновременно зондом и двухпроводной линией. Как указывалось выше, зондовый метод измерений имеет большой динамический диапазон. Ток на зонд сильно отличается по величине в плазменном ореоле и в разряде, что позволяет легко определить момент прихода разряда к зонду. СВЧ измерения с двухпроводной линией позволяют просто и достаточно надежно вычислить концентрацию электронов, однако динамический диапазон измерений невелик. Использование одних и тех же проЕолочек в качестве направляющей системы СВЧ волны и электрического зонда (как показано на рис. I.I4) позволяет использовать преимущества обоих методов. Зондовая схема включалась в схему СВЧ измерений при помощи коаксиального.
Исследования излучения Е ультрафиолетовой области спектра проводились с помощью прибора ФП-І и монохроматора 1/МГ-ЗА. Схема прибора ФП-І представлена на рис.1.15. В качестве фотоприемника использовался фотоумножитель типа "Курьез" (I), рабочий диапазон которого 115-300 нм. Фотоумножитель помещался в вакуумную камеру, входное окно которой (6) изготавливалось из Мар2 . Входное окно располагалось Е СВЧ пучке так, чтобы разряд касался его в течение всей длительности импульса СВЧ излучения (рис.1.16). На рис.1.19 (кривая I) представлена зависимость коэффициента пропускания входного окна от длины волны излучения.
Для проведения абсолютных измерений ФЭУ калибровался при помощи ионизационной камеры, которая позволяет просто вычислить поток кЕантоЕ, попадающих в камеру по току, протекающему через нее . Схема калибровки изображена на рис.1.17. Источником ультрафиолетового излучения являлась проточная водородная лампа,ЕЭ-куумный монохроматор TVM-3 (2) Еыделял узкую частотную полосу спектра. Часть излучения источника отделялась при помощи полупрозрачного зеркала (3) на опорный ФЭУ со сцинтиллятором (4), который контролировал интенсивность излучения лампы.
Фотоионизационный механизм движения термического СВЧ разряда
Б предыдущем параграфе предполагалось, что образование плазменного ореола связано с излучением атомарного кислорода на длине волны 102,57 нм. Для подтверждения этой гипотезы необходимо определение спектра излучения разряда в диапазоне длин волн, короче пороговой для фотоионизации молекулярного кислорода. Гипотеза будет доказанной, если интенсивность излучения атомарного кислорода преобладает над непрерывным и квазинепрерывным (молекулярным) излучением и ее достаточно для создания ореола с концентрацией плазмы 10 см .
Исследование излучения разряда проводилось при помощи вакуумного монохроматора VMT - ЗА по методике, описанной в п.1.2. К сожалению, в условиях эксперимента невозможны прямые спектральные измерения в диапазоне длин волн короче 115 нм, поскольку он находится вне области прозрачности входного окна вакуумного "световода", изготовленного из No-F С В настоящее время WQ.F% -вещество, которое имеет самую дальнюю границу пропускания в коротковолновой части спектра, коэффициент пропускания входного окна показан на рис.2.8). Однако интенсивность излучения линии кислорода Д = 102,57 нм (переход с уровня За в основное состояние), которая, по-видимому, является ионизирующей, можно оценить, зная интенсивность соседней линии (например переход с уровня 3 S 5 в основное состояние, Л = 130 нм) и относительную интенсивность излучения этих линий, взятую из таблиц.
На рис.2.8 приведен спектр излучения разряда, полученный в воздухе при давлении 100 Торр и потоке мощности СВЧ излучения S = 70 кВт/см2. Приведенный спектр искажен вследствие неравномерных спектральных характеристик входного окна вакуумного„световода и чувствительности ФЭУ (см. п.1.2). Как видно из рисунка, в области длин волн Л 180 нм преобладает молекулярный спектр азота - серия Лаймана-Берджа-Гопфрида и четвертая положительная система. В области Л 180 нм спектральная интенсивность атомарных линий существенно выше молекулярного излучения. Интегральная интенсивность линий также выше излучения фона, проинтегрированного в диапазоне II5-I40 нм. Т.е. в БУШ области атомарный спектр преобладает над молекулярным.
Абсолютное значение интенсивности излучения определялось при помощи ФЭУ, прокалиброванного в абсолютных единицах (см. п.1.2). При помощи ФЭУ определялась интегральная интенсивность излучения в диапазоне 115-300 нм. Спектральная интенсивность излучения, полученная при помощи монохроматора (рис.2.8), графически интегрировалась с учетом неравномерной спектральной чувствительности ФЭУ и коэффициента пропускания входного окна световода". Такое определение абсолютное интенсивности света дает ошибку измерений с учетом ошибок калибровки ФЭУ не хуже +100%; -50%.
Согласно измерениям, интенсивность излучения из разряда атома кислорода при переходе с уровня 35 5 в основное состояние (Д = = 130 нм) составляет Q = 4,4 10 квант/с. Площадь разряда, соприкасающегося с входным окном световода,составляет tf = (0,1 0,3) см . Следовательно, поток квантов через I см с переднего фронта разряда будет составлять 30 =ц/3 2-10 квант /см «с. Для вычисления абсолютной интенсивности излучения линии 102,57 ти (Jo j использовалась величина относительной интенсивности, взятая из ?&/ , она составляет JQ/30 =/0. Конечно, величина относительной интенсивности получена в [?6) для разряда другого типа, чем в данной работе. Однако она правильно отражает отношение сил осцилляторов этих переходов. Уровни 35 J и 3а Ю лежат сравнительно близко друг от друга (разность энергий составляет 2,5 эВ), поэтому справочными данными можно пользоваться для приближенной оценки интенсивности ионизирующего излучения. Согласно эти оценкам, абсолютное значение интенсивности излучения ионизирующей линии 102,57 нм составляет Jo = 2 10 квант/сем .
Покажем, что данной интенсивности излучения достаточно для создания плазменного ореола с концентрацией электронов, наблюдаемой в эксперименте. В уравнении баланса электронов в воздухе при высоких давлениях можно пренебречь рекомбинацией и диффузией электронов по сравнению с прилипанием (см. п.2.2). Из уравнения C2.I) в стационарном состоянии
При давлении 100 [Торр] Jo - 2 10 квант/с «см2, зе. = I см , Зд = Ю5 с 1 [68] , Г = 0,5 [73] получаем А/е = Ю12 см"3, что по порядку величины совпадает со значением, полученным в эксперименте при тех же условиях.
Таким образом, в спектре разряда в области вакуумного ультрафиолета преобладает излучение атомов, образующихся при диссоциации. Интенсивность излучения ионизирующей линии достаточна для создания плазменного ореола с концентрацией электронов, наблюдаемой в эксперименте.
Ниже приводятся очень грубые оценки, показывающие, что значение интенсивности излучения атомарного кислорода непротиворечит здравому смыслу. Для оценки интенсивности излучения сначала необходимо оценить степень диссоциации газа.
Фотоионизационный механизм сверхзвукового движения СВЧ разряда
Исследования проведенные в данной главе, оказываются полезными не только для объяснения образования ионизирующего излучения разряда имеющего ЗВП- 38 см , но- и для объяснения образования ионизирующего излучения с Эп - 2,5 см и Эп= 200 см" .
Выше было показано, что излучение с Э6П- 38 см"1 определяется переходом с уровня За Я) в основное состояние атома кислорода. Надо заметить, что основной уровень атома кислорода расщеплен на три подуровня. И излучение с уровня За Ю является триплет-ным с длинами волн Д = 102,57; 102,74; 102,81 нм. Излучение с длиной волны 102,57 нм имеет коэффициент поглощения 2п= 38 см"1. Квант, соответствующий порогу фотоионизации кислорода имеет длину волны 102,66 нм (12,077 эВ). Энергия квантов излучения 102,74 нм всего на 10 эВ меньше порога фотоионизации. Ионизация кислорода с с?/7= 2,5 см может быть связана с фотоионизацией излучением Л = 102,74 нм возбужденных молекул кислорода. Достаточно вращательного возбуждения молекул с температурой 300К для превышения энергетического порога фотоионизации. Если эта гипотеза справедлива, тогда величина Э&п должна зависить от температуры газа, т.к. от этого зависит населенность на верхних вращательных уровнях. Однако таких экспериментов в C?6J не проводилось.
Следуя схеме, предложенной выше, легко объяснить существование ионизирующего излучения с высоким коэффициентом поглощения 3п 200 см . Действительно, в спектре излучения атомарного кислорода существуют достаточно интенсивные линии в области 93-100 нм. В этом диапазоне коэффициент поглощения молекулярного кислорода изменяется от 60 до 2000 см, следовательно, и коэффициент поглощения излучения атомарного кислорода лежит в этом же диапазоне и может принять значение, наблюдаемое в Г 79] дЄп 200 см"1. Для точного определения частоты линии ионизирующего излучения необходимо более точное измерение коэффициента поглощения.
Перейдем к обсуждению работ других авторов, ставящих своей целью определение механизма образования ореола.
Для реализации механизма образования ореола обсуждаемого в данной главе необходима достаточно высокая степень диссоциации газа. Высокая степень диссоциации достигается при большом энерговкладе в разряд (при условии, что температура электронов более I aB[M?75J). В работе [41] построена теория образования ореола в противоположном случае, для так называемых "слаботочных" разрядов, когда энергия, вкладываемая в разряд ничтожна, так что степень возбуждения и диссоциации газа пренебрежимо мала. Остановимся подробнее на рассмотрении этого механизма и сравнении выводов работы L44] с нашими экспериментальными данными.
Механизм образования плазменного ореола, рассмотренный в L4-/J , разрабатывался при исследовании движения стриммера. Поскольку рекомбинационное и тормозное излучения элементарной лавины стриммера слишком мало для эффективной фотоионизации, ионизирующее излучение должно быть линейчатым. Леб в 180} предаю ложил, что фотоионизация в воздухе может существовать в результате разности потенциалов ионизации молекул азота и кислорода. Излучение с высоковозбужденных уровней А/2 может иметь квант с энергией, большей пороговой для фотоионизации кислорода. Следуя этой модели, Е работе [4П был проведен расчет коэффициента поглощения ионизирующего излучения разряда в воздухе. Расчет был сделан при следующих предположениях. Зависимость коэффициента поглощения молекулярного кислорода от длины волны излучения аппроксимировалась набором экспоненциальных функций согласно L?3,74] . Излучение азота считалось непрерывным, так как молекулярное излучение обладает широким спектром, благодаря наличию колебательных и вращательных степеней свободы молекул. Результаты вычислений в виде зависимостей п/Р0 от PQ I приведены на рис.2.9 (кривая I). Широкополосный спектр ионизирующего излучения естественно приводит к сильной зависимости коэффициента поглощения от параметра р0г-і .
Экспериментальные данные, приведенные в этой главе, расходятся с расчетами, сделанными в [4iJ . Отношение ЗВп/Р0 с точностью до ошибок эксперимента не зависит от р0 . Это утверждение иллюстрируется рис.2.9, где вместе с расчетной L4"(J представлены экспериментальные зависимости эе/р0 от Р0 -Ї (прямые 2), полученные в данной работе. Прямые 2 построены Е результате обработки прямых, показанных на рис.2.3. Три прямые на рис. 2.9 соответствуют трем прямым на рис.2.3. Точность определения величины эг/POi соответствует точности измерения, показанной на рис.2.4. Приблизительно она характеризуется разбросом прямых вдоль оси / Из рисунка видно, что с точностью до ошибок эксперимента зг/Р не зависит от р0 і , следовательно, излучение, наблюдаемое в наших экспериментах, является квазимонохроматическим излучением и для расчета параметров ореола нельзы пользоваться данными 1МЦ . Дополнительным подтверждением справедливости предложенной модели образования ореола служит вид спектра излучения разряда в БУФ области (подробно см. п.2.3).
В заключение необходимо остановиться на еще одной работе, рассматривающей образование плазменного ореола Еокруг разряда. В работе был предложен механизм образования ореола, Е соответствии с которым плазма образуется в результате протекания ион-номолекулярной ассоциативной химической реакции типа:
