Высокочастотный разряд и его особенности

 

Ранее был рассмотрен электродный газовый разряд постоянного тока. Некоторые его закономерности можно перенести на разряд переменного тока, когда анод и катод постоянно меняются местами.

Если электрический разряд питать переменным током, то он будет периодически зажигаться и гаснуть. За время паузы между очередными разрядами происходит процесс деионизации газа и плазма исчезает. По мере увеличения частоты промежутки времени между двумя разрядами уменьшаются и становятся соизмеримыми со временем деионизации (10^-3 – 10^-5 с). При дальнейшем повышении частоты разряд не успевает погаснуть. Такой разряд называют высокочастотным (ВЧ). Переход к высокочастотному разряду осуществляется в интервале от десятков килогерц до нескольких мегагерц.

Высокочастотный разряд может быть как электродным, так и безэлектродным, и часто используется в технологических плазменных устройствах электронной техники.

Безэлектродный ВЧ-разряд

В отличие от разрядов постоянного тока, когда процессы на электродах во многом определяют их характер, высокочастотные разряды в большинстве случаев могут существовать без контакта с электродами. Электрическое поле настолько быстро изменяет свое направление, что заряженные частицы не успевают выйти на электроды или на стенки разрядной камеры. Потери электронов и ионов из разряда существенно снижаются, и в некоторых случаях разряд может существовать при небольшой напряженности электрических полей.

Роль вторичной эмиссии в высокочастотных разрядах значительно снижена, так как выбитые из стенок или электродов электроны не способны содействовать развитию разряда, за исключением тех, которые выходят в моменты благоприятного направления поля (в фазе с полем).

Параметры высокочастотных разрядов плазмы (концентрация частиц, температуры ионов и электронов, напряженность пробойного электрического поля и т.д.) зависят от рода газа, его рабочего давления, частоты поля, размеров камеры, в которой зажигается разряд.

 

Различия ВЧ- и СВЧ-разрядов

В высокочастотных разрядах электроны дрейфуют в виде облака в фазе с полем и здесь существенную роль играет соотношение между длиной свободного пробега электрона l_e и характерными размерами камеры L. Если l_e >> L, а частота поля ν _о меньше частоты соударений ν_e, то частицы за полпериода могут долетать до стенок и вызывать вторичные процессы (вторичную электронную эмиссию).

С увеличением частоты поля ν _о амплитуда колебаний частиц становится меньше размеров камеры, ионизация происходит только в объеме, потери частиц связаны только с диффузией, рекомбинацией или химическими процессами, иначе говоря, только с объемными процессами.

Если давление газа не слишком велико или если частота ν _о настолько высока, что превосходит частоту соударения электронов, то дрейф частиц фазе с полем практически отсутствует: они движутся почти свободно. Если и далее повышать частоту ν _о, пока длина волны колебаний не станет соизмеримой с размерами камеры, то на электроны будет воздействовать уже не сосредоточенное поле, а электромагнитная волна. Разряд тогда называют сверхвысокочастотным (СВЧ-разряд).

 

Оптимальные условия ВЧ-разряда

Время τ_e, за которое электрон полностью потеряет при столкновениях приобретенную энергию, можно определить соотношением

 

ν_eδτ_e = 1 или

 

где δ – доля энергии, теряемой при одном столкновении. Тогда возможны два случая развития разряда (рис.1.14). В первом случае при (времени полупериода изменения поля) возможен набор энергии электронами W_e за несколько периодов изменения поля Е, что облегчает пробой и ионизацию газа. Важно отметить, что изменение энергии электрона следует за изменением квадрата напряженности электрического поля. Во втором случае при энергия электронов начинает сильно уменьшаться, они не смогут ионизировать газ и потребуются бóльшие напряженности поля для развития разряда.

Минимального значения напряженность поля, необходимая для развития разряда, достигает в области, где ν_e ≈ ω, т.е. когда частота столкновения электронов порядка круговой частоты электрического поля. В этом случае достигается наибольшая проводимость плазмы.

 

Рисунок 1.14 –Возможные случаи набора энергии электронами в ВЧ-разряде

а – изменение напряженности электрического поля от времени τ;

б – набор энергии электроном при

в – изменение энергии электрона при

 

Два типа ВЧ-разрядов

Высокочастотные разряды (в том числе и СВЧ-разряды) можно разделить на два типа:

1) Высокочастотные емкостные − так называемые Е - разряды (рис.1.15, а), характеризуются тем, что токи внутри них связаны с внешней цепью через токи смещения, которые возникают из-за дрейфа облака электронов в фазе с полем. Такие разряды существуют в устройствах между обкладками конденсатора, включенного в высокочастотный контур, или во внутренней полости объемного резонатора или волновода.

В разряде Е -типа под действием электрического поля относительно легкие электроны совершают колебательное движение вдоль поля, в то время как более тяжелые ионы и нейтральные частицы в колебательном движении практически не участвуют. Ускоренные в электрическом поле электроны соударяются с частицами газа и ионизируют его. При определенной амплитуде быстропеременной наложенной на электроды разности потенциалов возникает разряд.

2) Высокочастотные индукционные разряды, или разряды H-типа (рис.1.15, б) образуются в высокочастотном магнитном поле. Они имеют индуктивную связь с внешними полями и существуют в устройствах типа диэлектрических камер, помещенных внутри катушки индуктивности контура.

Механизм возникновения разряда следующий. Траектория движения электрона в магнитном поле начинает закручиваться по ларморовским окружностям. Двигаясь по криволинейным траекториям под действием переменного магнитного поля, он ускоряется до тех пор, пока его энергия станет достаточной для ионизации газа. Возникает устойчивое плазменное образование.

Плазма образуется чаще всего в виде кольца, в котором возникают вторичные кольцевые токи.

СВЧ-разряды H -типа обычно зажигаются в резонаторах или волноводах на частотах порядка 10⁸ −10¹⁰ Гц.

Разряды Е- типа могут возбуждаться уже при мощности несколько ватт. Для возбуждения разряда Н- типа требуется мощность в несколько киловатт, так как магнитное поле с малой индукцией не обеспечивает необходимого ускорения электронов.

Высокочастотные разряды, используемые в технике реализуются в промышленных устройствах только на разрешенных диапазонах частот, чтобы не создавать помех радиосвязи. Наиболее часто применяемые диапазоны следующие: 440 кГц; 880 кГц; 1,76 МГц; 5,28 МГц; 13,56 МГц; 27,12 МГц; 40,68 МГц.