Создание низкотемпературной плазмы в резонаторе.

Пусть имеется цилиндрическая стеклянная колба с газом (например, воздухом) при давлении – 10^-4 мм ртутного столба, помещенная в катушку ВЧ генератора (рис. 2). Кроме того в колбе имеется маленький шарик ртути, который при нагревании в ВЧ поле генератора испаряется, повышая давление газа (паров ртути) в колбе примерно до 0,1 мм (13,3 Па в СИ).

При включении ВЧ генератора в колбе возникает ВЧ-разряд, давление паров ртути повышается и образуется низкотемпературная плазма с концентрацией ионов и электронов n_e ≈ n_i ≤ n₀, где n_e – концентрация электронов, n_i – концентрация ионов, n₀ – концентрация паров ртути.

ВЧ генератор

Р1

Р2

Е

Н

k

Рис. 3. Плазменный резонатор в СВЧ поле

Колба с газом

Катушка ВЧ генератора

Вк

L

Оценим примерную концентрацию электронов. При давлении 0,1 мм ртутного столба концентрация молекул газа равна примерно n₀ = 10¹⁵ см^-3, а концентрация зарядов примерно на порядок меньше (принимаем степень ионизации α ≈ 0.1). Таким образом, в ВЧ разряде n_e ~ 10¹⁴см^-3.

В соответствии с формулой (5) для такой концентрации плазменная частота f_p ≈ 30 ГГц, т.е. больше, чем частота нашего 3-х сантиметрового СВЧ генератора: f_p > (f_СВЧ ≈ 9,375 ГГц). Иными словами, концентрация электронов в плазме выше критической (6') и СВЧ излучение не проникает через плазменный резонатор. Плазма в плече 2 интерферометра будет действовать как "проводящая пластина", отражающая СВЧ волну.

После отключения ВЧ генератора (ключ Вк на рис. 2) концентрация зараженных частиц в плазме начнет примерно экспоненциально уменьшаться за счет рекомбинации зарядов. Как только она станет меньше критической n_с ≈ 10¹² см^-3, плазменная частота станет меньше частоты СВЧ генератора и его излучение начнет проходить по плечу 2, интерферируя с лучом плеча 1. При дальнейшей рекомбинации зарядов интерферометр должен вернуться к начальному состоянию, бывшему до зажигания плазменного разряда.