Реферати українською » Физика » Експериментальне дослідження параметрів плази ємнісного високочастотного розряду (ЕВЧР)


Реферат Експериментальне дослідження параметрів плази ємнісного високочастотного розряду (ЕВЧР)

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Запровадження

 

Мета роботи – експериментальне дослідження параметрів плази ємнісного високочастотного розряду (>ЕВЧР).

Завдання:

– вивчити літературу газовим розряду;

– провести спостереження та експерименти з визначення параметрів плазмиЕВЧР;

Об'єктом дослідження єЕВЧР повітря, аргоні.

Предметом дослідження є параметри плазми тліючого розряду.

Ця робота складається з запровадження, двох глав, укладання.

У першій главі викладено теоретичні відомостей про електричному розряді в гази та докладно про ємнісній високочастотному розряді.Изложена теорія методу зондівЛенгмюра.

У другій главі розповідається про описі експериментальної установки, побудові кривихПашена щодо різноманітних газів в різних частотах, визначенні параметрів плазми (електронної температури, концентрації та рухливості позитивних іонів), перебування стрибків потенціалу доприелектродном шарі просторового розряду в аргоні безконтактним методом.

Актуальність дослідження. Попри трьохсотрічну історію вивчення газового розряду та її велике застосування, поки що не створена остаточна теорія розряду, куди входять у собі всі види, результати якої задовільно збігалися б із експериментальними фактами. Тому будь-якауточняющее дослідження дає свій внесок у розвитку цього напрями.

Історична довідка

Саме назва розряд походить від назви повільно викликаного процесу втрати заряду зарядженими металевими тілами, розташованими на підставці з ізолятора.

>Кулон довів, що заряд стікає з провідника через повітря, тобто має місце газовий розряд. Розряд при низьких тисках повітря відкрив і досліджував Фарадей – цей розряд став відомим як тліючий. Наприкінці ХІХ століття дослідження провідності розріджених газів привело Дж. Дж. Томсона на відкриття першої елементарної частки – електрона, а подальші дослідження фізики газового розряду багато в чому послужили експериментальної основою атомної та квантової фізики [14].

Засновником фізики газового розряду є Таунсенд, створив теорію пробою газу та встановивши закономірності іонізації. Дуже значний внесок у фізику газового розряду було внесеноЛенгмюром, запровадивши фундаментальне поняття – плазма, і навіть розвинув методи дослідження плазми, зокрема, метод зондів.

Сучасна фізика термін газовий розряд визначає як як процес перебігу струму через газ, а й будь-якої процес виникнення іонізації газу під впливом докладеної електричного поля. У цьому полі може бути лише постійним у часі, а йбистропеременним –високочастотним (>ВЧ-разряд),сверхвисокочастотним (>СВЧ-разряд) і навіть оптичного діапазону (оптичний розряд). Останнім часом відкрилипучково-плазменний розряд,загорающийся під час проходження електронного пучка через газ малої щільності внаслідок виникнення у системі плазмових коливаньСВЧ-диапазона [13].

 


1.Емкостной високочастотний розряд

 

1.1 Загальні інформацію про газовому розряді

У умовах повітря та інші гази є хорошими ізоляторами. Якщо взяти два металевих електрода, розділених між собою невеликим повітряним проміжком, і підключити їх до джерела струму, то ланцюг виявиться розімкнутої, якщо в повітряному проміжку є заряджені частки – іони і електрони, то під впливом електричного поля вони рухаються до електродах.

Заряджені частки можуть утворюватися внаслідок фотоефекту при висвітленні електродів ультрафіолетовим світлом, під час проходження через повітряний проміжок рентгенівських чи космічного проміння тощо. Проходження струму через проміжок між електродами відбувається у присутності джерела, що викликає поява заряджених частинок. Такий розряд називається несамостійною. Він припиняється, коли прибирають джерело іонізації [8].

При досить високу напругу на електродах виникає самостійний газовий розряд. Під впливом електричного поля між електродами заряджені частки в повітряному проміжку набувають значну кінетичну енергію, яку передають при пружнихсоударениях молекулам газу, і навіть електродах. Відтак рахунок енергії джерела струму відбувається розігрівання газу та електродів. Кількість заряджених частинок в повітряному проміжку починає різко зростати з допомогою іонізації атомів і молекул і емісії заряджених часток отримують за електродів. Розпочатий газовий розряд сам підтримує себе і потребує зовнішніх джерелах іонізації. Газ, має високої температури і що з заряджених і нейтральних частинок, називається плазмою. При самостійному газовому розряді між електродами завжди утворюється плазма.

Для виникнення газового розряду достатньо притулити до електродах високу напругу. Для пробою повітряного проміжку на кілька міліметрів потрібно напруга близько 20 кВ. >Пробойное напруга при атмосферному тиску зростає зі зростанням ширини проміжку. Залежить вона й від форми електродів. Проміжок між шпилястими електродами пробивається за більш низькому напрузі, ніж проміжок між пласкими електродами [6].

 

1.2 >Тлеющий розряд

 

>Тлеющий розряд – цесамоподдерживающийся розряд з холодним катодом, >испускающим електрони внаслідок вторинної емісії, переважно під впливом позитивних іонів [7].

>емкостний розрядленгмюр зонд

>Рис. 1.Тлеющий розряд

Його відмітним знаком є існування поблизу катода шару певної товщини з великим позитивним об'ємним зарядом, сильним полем у поверхні і є значним падінням потенціалу 100–400 У і більше. Воно називаєтьсякатодним падінням. Товщина шару катодного падіння зворотно пропорційна щільності чи тиску газу. Якщомежелектродное відстань дуже багато, міжкатодним шаром і анодом утворюєтьсяелектронейтральнаяплазменная область, де полі відносно невеличке.Серединную, однорідну частину їх називають позитивним стовпом. Від анода він відокремлюється анодним шаром.

Позитивний стовп тліючого розряду постійного струму – найяскравіше виражений і поширений приклад слабко іонізованою нерівновагової плазми, яка підтримується електричним полем. На відміну від катодного шару, якого тліючий розряд існувати неспроможна, позитивний стовп перестав бути його невід'ємною частиною. Якщо результаті освіти катодного шару проміжок між електродами виявляється вичерпаним, стовпа немає. Але коли бракує відстані формування належного катодного шару, тліючий розряд не загоряється.

 

1.3 Способи порушення високочастотних розрядів

Підвисокочастотним (ВЧ) зазвичай розуміють вживаний у розрядної практиці діапазон частотf =/2 ~ 1 100 МГц. Усі види ВЧ розрядів може бути розбитий на великі групи, різняться способами порушення ВЧ поля була в розрядному обсязі: індукційні і ємнісні [8].

Індукційні методи засновані на використанні явища електромагнітної індукції, у результаті лінії порушеної електричного поля виявляються замкнутими, а саме полі – вихровим. При ємнісній способі ВЧ напруга від генератора подається на електроди, лінії електричного поля починаються і закінчуються ними, а полі є із великим рівнем точності потенційним.

Найпростіша і найпоширеніша схема індукційного розряду показано на рис.1.а.

а) б) м) буд)

>Рис. 1 Основні схеми порушення індукційного (чиемкостних (>б-д) розрядів: б – з пласкими оголеними електродами;в-с пласкими ізольованими електродами; р – електроди винесені межі розрядної камери; буд –одноелектродний розряд (другим «електродом» служить земля).

Черезкатушку-соленоид, яка може складатися зі кількох і навіть одного витка, пропускають вироблену генератором ВЧ струм. Магнітне полі струму, також змінне, всередині котушки спрямоване вздовж її осі. Під його дією всерединіиндуцируетсякольцевое електричне полі, замкнуті лінії якогоконцентрични з первинним ВЧ струмом. Це електричне полі може порушувати і підтримувати розряд в газі. І тому всерединусоленоида поміщаютьдиелектрическую трубку чи посудину, наповнені досліджуваним газом при потрібному тиску. Часто газпрокачивают по трубці, і тоді з її випливаєплазменная струмінь.Индукционний розряд єбезелектродним.

Найпростіші і дуже поширені схеми ємнісного розряду показані на рис. 1 (б й у). У посудину з досліджуваним газом за певного тиску поміщають два пласких паралельних електрода і до них докладають напруга від ВЧ генератора.Электроди може бути однаковими, може бути різних площ, що трапляється корисним для практичних цілей. Коли щодо змінного струму електрична ланцюг провідників необов'язково мусить бути замкнутої і може міститинепроводящие ділянки, електроди можна ізолювати від проводить розрядної плазмидиелектриками, як показано на рис.1.г.

Розряд між ізольованими електродами (рис.1.в, р) можна, як і індукційний, назватибезелектродним тому, щоразрядная плазма не зтикається з електродами. Якщо цікавитися сутністю фізичних процесів, то між схемами електродного (рис.1.б) і «>безелектродного» (рис.1.в, р) >емкостних розрядів немає принципової різниці. Що стосується визначальних процесів і метал, і діелектрик, дотичний зионизированним газом ВЧ розряду, поводяться однаковим чином.

>Индукционний спосіб зазвичай використовують із підтримки ВЧ розряду при високих тисках (порядку атмосферного). Найважливішою областю застосування індукційних ВЧ розрядів є створення чистої щільною низькотемпературної рівноважної плазми типу дугового із тискомР~1атм. і температуроюT~10000К.Индукционний ВЧ розряд використовується для надчистих тугоплавких матеріалів, абразивних порошків та інших.

>Емкостний спосіб, зазвичай, застосовують підтримки ВЧ розрядів при середніх (>Р~1100Торр) і низьких (>Р~10-3>1Торр) тисках. Плазма у своїй виходить слабко іонізованою, нерівновагової, як плазма тліючого розряду. ВЧ розряди середнього тиску застосовуються для порушення ЗІ2-лазерів, а ВЧ розряди низький тиск – для іонного на матеріали і той плазмової технології.

До групиемкостних слід вважати і так званийодноелектродний чи факельний розряд. І тут в явною формі присутній один електрод, який і подають ВЧ напруга (рис.l.д). Близько нього запалюється розряд, який має вигляд плазмового смолоскипа. Насправді у системі присутній другий «електрод» – їм служить земля чи заземлені стінки камери, із якими факел, тобто.разрядная плазма, пов'язанийемкостним (реактивним) струмом. Поле у системі електрод – земля сильно неоднорідне і подібно коронному розряду, який видно тільки в шпичаки, де сконцентровано полі. Розряд виявляється лише як плазмового смолоскипа близько електрода.

 

1.4 Найпростіша модель високочастотного ємнісного розряду

 

>Приелектродние верстви просторового заряду (>ПСПЗ)

Нехай розряд горить між пласкими електродами і поперечні розміри його2R вулицю значно більшемежелектродного відстані L, отже процес вважатимуться одномірною. Будемо відраховувати координату Х від лівого електрода, а електричний потенціал – від правого, заземленого.Високочастотное напруга подається на лівий електрод.

У час початкового запалювання під час подачі на електроди досить високої напруги, в газі відбувається пробою й утворюється плазма. Будемо розглядати стаціонарний розряд, де всі процеси протікають суворо періодичним чином із незмінними у часі амплітудами. Навіть якби дуже низької густини електронів () і властивій розрядної плазми електронної температурі Tе=>1еВдебаевский радіусr>d=>0,05сm набагато меншоюмежелектродних відстанейL~15сm; у серединної частини проміжку плазмаелектронейтральна. Проте поблизу електродів електронний газ, роблячи коливання щодо малорухомих іонів, періодично то «заливає», то оголює позитивні заряди. Це є першопричиною появи поблизу кордонівприелектродних верств позитивного просторового заряду. >Приелектродние верстви це верстви, коли металеві електроди ізольовані від розрядної плазмидиелектриками.

Якісна картина зміни щільності зарядів, поля і потенціалу

Вважатимемо, що щільність «нерухомих» іонів постійна у просторі, будучи однаковою, в плазмі й уприелектродних шарах (надалі – просто «шарах»). У однорідної плазмі, очевидно, однорідний і електричне полі. Отже, електронний газ всюди (як єдине ціле) коливається з однаковим амплітудою A близько середнього становища. Ті електрони, які у момент проходження середньої точки, відстояли від електродів на відстанях, менших амплітуди A, внаслідок перших хитань вбираються металом й назавжди йдуть у нього (і якщо електрод покритий діелектриком – необоротно прилипають до останнього). При наступнихкачаниях електрони тільки мить стосуються твердих поверхонь.

Отже, в останній момент проходження електронним газом становища рівноваги з обох боків плазми залишаються верствинекомпенсированного позитивного заряду завтовшки A. У цьому газ цілому виявляється зарядженим позитивно. Картина хитань електронного газу припущенні про відсутністьдиффузионних потоків зарядів до електродах ідиффузионногоразмития кордонів між плазмою й культурними шарами показано на рис. 2 через кожні чверть періоду. Відповідно до рівняннюелектростатики

 

 (1)

Усередині верств, де ne = 0, a n+ =const, миттєве полі Є лінійним чином від x, а відповідний потенціал

>Рис. 2 Схема качання електронного газу: штрихові лінії – щільність іонів постійна; суцільні – розподіл ne (x,t) через кожні чверть періоду

 (2)

змінюється з x попараболическому закону.

У плазмі, де Є від x залежною, миттєвий потенціал змінюється у просторі по лінійному закону (рис. 3). Струм в плазмі хаща лише у більшої своєї частини є струмом провідності, у разі, в розрядах середнього тиску. Отже, розрядний струм j більшу частину періоду направлений у той бік, як і полі плазмі Єр. Це показано стрілками на рис. 3.

>Рис. 3 Розподіл поля і потенціалу між пласкими електродами, відповідні розподілам n+, ne (стрілками показані напрями струму j)

Струми зарядів на електроди у наближенні нерухомих іонів, миттєвого торкання плазмою електродів і відсутності такої електронної дифузії, тобто. теплового руху, також відсутні.

У в середньому у часу синус потенціал лівого електрода, як і і потенціал заземленого правого, нульовий. Потенціал ж плазми (щодо електродів) завжди позитивний. Відповідно, в шарах полі середньому спрямоване до електродах. Це тим, що у проміжку газ цілому заряджений позитивно, тому володіє середньому постійним позитивним потенціалом V. На відміну від аналізованої спрощеної моделі у реальних умов, з плазми в шар постійно надходить відносно невеликий теплової потік іонів. У розрядах низький тиск іони проходять шар майже без сутичок і набирають під впливом поля енергію порядку постійного потенціалу плазми. Вона їх може становити сотні електрон-вольт [15].

Система рівнянь визначення параметрів розряду

Розглянемо вищеописану картину, користуючись рівняннями руху електронів на полі іелектростатики. Означимо черезd1 іd2 миттєві товщини лівого і правого верств. За відсутності струмів зарядів на електроди сумарні заряд і товщина двох верств залишаються незмінними:

en+>d1 + en+>d2 =const, іd1 +d2 =2A (3)

Відповідно до (1) поля була в лівому (Є1) і право (Є2) шарах розподілені як

Є1 = Єр –4en(d1 – x), E2 = E>p +4en [x – (L –d2)] (4)

>Потенциали плазми щодо лівого і правого електродів, тобто. миттєве падіння напруги в шарах, рівні

V1 =2end12, V2 =2end22 (5)

E>p =V/L +8en (>A/L) y, y =d1 – A (6)

Вонопараметрическим чином пов'язує Єр зі зміщенням у лівої кордону плазми (рівним також зміщення будь-якого електрона з середнього становища). З іншого боку, усунення підпорядковується загальному рівнянню руху електрона. У цьому = y’’, а під Єа>sint слід розуміти полі плазмі Єр. Підставляючи на загальне рівняння руху електрона полі Єр, взяте з (6), і використовуючи вираз

>р = 5,64*104 (ne)1/2 з-1 (7)

для плазмової частоти, отримуємо рівняння для усунення електронів плазми:


                        (8)

Далі зручніше оперувати гармонійними величинами в комплексної формі. Нехай до електродах докладено напругаV=Vae>it. >Установившееся рішення

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація