ГЛАВА 3 ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
3.1. Электрический разряд в газах
Плазменная электроника существует и как раздел физики плазмы, однако будем в основном интересоваться приборами и устройствами электроники.
Плазма (от греч. plasma — вылепленное, оформленное) представляет собой частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных (ионов) и отрицательных зарядов (электронов, ионов) практически одинаковы. Это название было предложено в 1923 г. американским физиком и химиком И. Лен- гмюром.
Под ионизированным газом понимается газ, в котором значительная часть атомов потеряли или приобрели по одному или по несколько электронов и превратились в ионы. В зависимости от количества потерянных или приобретенных ионов различают различные степени ионизации газа.
Существуют различные механизмы ионизации газа, основные из которых термическая ионизация при нагреве газа, ионизация светом — фотоионизация, бомбардировка газа заряженными частицами. Ионизированный газ превращается в четвертое агрегатное состояние вещества.
Если пространственные заряды электронов и положительных ионов компенсируют друг друга, тогда плазму считают квазинейт- ралъной. Самый простой способ получить плазмы — зажечь газовый разряд.
Электрический разряд в газах возникает при прохождении электрического тока через ионизированные газы.
В зависимости от характера приложенного поля, от давления газа, формы и расположения электродов различают различные типы разрядов. При небольшом напряжении (примерно 100 В) наблюдается прохождение тока через газ (примерно 1 • 10-15 А). Видимо, этот ток обусловлен слабой ионизацией газа космическими лучами. Разряды в постоянном поле возникают при прохождении тока в газе и могут быть представлены в виде вольт-амперной характеристики (рис. 3.1).
При увеличении напряжения ток резко возрастает (участок 1—2 кривой на рис. 3.1) и достигает определенной степени насыщения (участок 2—3). При небольших давлениях (примерно 1 • 10_1..Л0 тор) и большом ограничительном сопротивлении R внешней цепи при
токе около 1 • 10 6 А зажигается темный, или таунсендовский разряд (участок 2—3).
Этот процесс характеризуется полным вытягиванием всех образовавшихся в газе зарядов. Двигаясь под действием электрического поля в газовой среде, электроны производят на своем пути ионизацию молекул газа. Мерой такой ионизации является степень ионизации а.
Вторичные электроны, появившиеся в результате ионизации газа, движутся в электрическом поле и также ионизируют газ. Лавинообразное размножение электронов приводит к тому, что поток в конце разрядного промежутка значительно больше потока электронов в его начале. Коэффициент к такого газового усиления в однородном поле определяется как к = ехр(аd), где d — ширина разрядного промежутка.
Положительные ионы, возникшие в результате ионизации, выбивают на отрицательном электроде дополнительное количество электронов.
В зависимости от типа газа, конфигурации электродов и расстояния между ними при дальнейшем небольшом увеличении напряжения наблюдается возникновение самостоятельного разряда. Далее идет переходная область. Этот тип разряда не зависит уже от внешних факторов и не нуждается во внешнем источнике ионизации (участок 3—4). При этом резко падает напряжение разряда. Возникают новые электроны, которые под действием поля набирают энергию и ионизируют газ (участок 4—5). Возникает нормальный тлеющий разряд при небольшом внешнем сопротивлении R и при токе 1 • 10-6...1 • 10"' А и напряжении до 103 В. При этом образуется однородный светящийся столб. Это так называемый положительный столб разряда, представляет собой плазму тлеющего разряда, которая является неравновесной с электронной температурой Те я 104 К и невысокой степенью ионизации.
Если повышать напряжение дальше, то после газового пробоя зажигается дуговой разряд. Для него характерно высокое значение тока и достаточно низкое напряжение (участок 7—8). Дуговой разряд визуально представляет собой ярко светящийся газовый столб.
В дуговом разряде плазма уже равновесная и такая, что температура электронов примерно равна температуре ионной составляющей Те = Т,« 104 К при достаточно высокой степени ионизации.
При резко неоднородном поле возникает коронный разряд. Ионизация и возбуждение молекул газа в коронном разряде наблюда-
ется только в области, где поверхность электродов искривлена и возникает наибольшая напряженность электрического поля.
На рис. 3.1 приведена нагрузочная прямая Е — E/R, с помощью которой путем подбора сопротивления нагрузки RH в нагрузочной прямой можно получить определенный тип газового разряда.
Разряды можно классифицировать по состоянию плазмы разряда и частоте электрического поля.
Характер ионизационного состояния газа: пробой газа;
поддержание электрическим полем неравновесной плазмы; поддержание равновесной плазмы.
Электрические поля в зависимости от частоты могут быть: постоянные, включая низкочастотные; высокочастотные,/» 105...108 Гц; сверхвысокочастотные, /« 109...10и Гц; оптические (от ультрафиолета до инфракрасного диапазона). Если разрядный промежуток достаточно велик, то основную его часть занимает плазменный столб. Это относится как к тлеющему, так и к дуговому разряду. Параметры тлеющего столба зависят от условия стационарности, заключающегося в том, что должно соблюдаться равенство средней частоты ионизации и обратного времени жизни заряженных частиц.
Ионизация происходит под действием электронных ударов, а распределение электронов по энергии экспоненциально спадает. Средняя энергия электронов в столбе составляет порядка нескольких электрон-вольт.
При комнатной температуре ионов и малых давлениях и токах плазма становится неравновесной, для нее характерны неустойчивости. Эти неустойчивости выражаются в формировании страт — чередующихся светлых и темных полос в разряде. Неустойчивости можно избежать, варьируя напряженность электрического поля и его частоту. Для создания электронных плазменных приборов важно создать стационарный газовый разряд с равновесной плазмой.
3.2. Процессы в плазме
Плазму можно получить при разогреве вещества, находящегося в газообразном или твердом состоянии. Плазму называют четвертым состоянием вещества. Состояние равновесной плазмы, как и всякого газа, определяется ее составом, концентрацией компонент
и температурой. Обозначим парциальные концентрации компонент плазмы «а, придавая индексу а значения а (нейтральные частицы), i (ионы), е (электроны). Вообще говоря плазма может содержать различные виды (сорта) атомов и ионов. В большинстве случаев будем рассматривать так называемую простую плазму, состоящую из нейтральных частиц одного сорта, однозарядных ионов того же сорта и электронов. Тогда степень ионизации а можно определить как отношение концентрации ионов и нейтральных атомов: а = «//(я/ + па).
Температуру плазмы Т будем выражать в энергетических единицах. Она связана с обычно используемым определением температуры соотношением: Т— кТ&, где 7к — температура, к — постоянная Больцмана.
В равновесной плазме параметры концентрации и температуры полностью характеризуют ее состояние. Температура такой плазмы определяет не только среднюю энергию, но и распределение частиц по скоростям (максвелловское распределение). По концентрации и температуре плазмы можно определить степень ионизации, концентрацию ионов, возбужденных атомов, фотонов и т.п. Однако далеко не всегда плазму можно считать равновесной. В частности, газоразрядная плазма, получаемая обычно в лаборатории, далека от равновесия. В некоторых случаях встречается так называемое частичное равновесие, при котором распределение скоростей заряженных и нейтральных частиц — максвелловское. Температуры, определяющие это распределение для электронов и тяжелых частиц, различны. Для такой неизотермической плазмы можно ввести отдельно электронную и ионную температуры Те, Tt. В общем случае неравновесной плазмы распределение скоростей заряженных частиц может существенно отличаться от максвелловского. Однако и здесь будем говорить о температуре компонент плазмы, определяя ее как меру средней энергии хаотического движения частиц. Разумеется, для получения полной информации о поведении неравновесной плазмы сведений о средних энергиях (температуре) компонент недостаточно — необходимо знать функцию распределения частиц по скоростям.
Характерной особенностью плазмы является ее макроскопическая нейтральность, поддерживающаяся вследствие взаимной компенсации пространственного заряда положительных ионов и электронов. Однако такая компенсация усредненная и имеет место в Достаточно больших объемах и на достаточно больших интервалах времени. Поэтому говорят, что плазма — квазинейтральная среда. Размеры областей и промежутки времени, в пределах которых мо-
жет нарушаться компенсация объемного заряда, называют пр0 странственным и временным масштабами разделения зарядов.
При нарушении квазинейтральности плазмы в объеме возникают пространственные электрические поля и пространственные заряды. Как правило, возникают процессы, приводящие к восстановлению квазинейтральности плазмы.
Степенью ионизации плазмы называют число а, определяемое в условиях термодинамического равновесия формулой Саха
а = где K-NxtxpJ/kT; /—энергия ионизации, эВ, Л^ =
у1\+К
, h = tike — число всех частиц в кубе с ребром ке = --■==; к -
■у]2п/ mqkT
постоянная Больцмана, h — постоянная Планка; Т — температура плазмы, К.
В зависимости от а говорят о слабо, сильно или полностью ионизированной плазме. Различают высокотемпературную плазму с Т> 10б...108 К и низкотемпературную плазму с Г< 105 К.
Свойства плазмы отличаются от свойств нейтрального газа:
1. Взаимодействие частиц в плазме определяется кулоновскими силами притяжения или отталкивания, а не только температурными процессами. Такое взаимодействие электрически заряженных частиц является коллективным.
2. Электрические и магнитные поля сильно действуют на плазму, формируя в ней электрические заряды и токи.
Квазинейтральность плазмы соблюдается в том случае, когда линейные размеры области плазмы много больше дебаевского радиуса экранирования. Физический смысл дебаевского радиуса экранирования заключается в том, что он является пространственным масштабом в плазме (или полупроводниках), который экранирует поле заряженной частицы. Причиной экранирования какого-либо заряда является процесс преимущественного группирования заряженных частиц противоположного знака.
Если заряженная частица с зарядом Z создает электрический потенциал Ф, то дебаевский радиус экранирования rD определяется из выражения Z= (Фq/r) exp{-r/rD), где г — расстояние между частицами. При этом происходит нейтрализация заряда системы на расстоянии примерно rD. В этом случае плазму можно представить как ква- зинейтральный коллектив, содержащий большое число заряженных частиц и занимающий область с линейными размерами L » fD- Дебаевский радиус определяют по формуле
%
Пассивные методы основаны на регистрации излучений и потоков частиц из плазмы или измерения характеристик окружающих полей.
Активные методы базируются на измерении характеристик внешнего зондирующего излучения при его прохождении через плазму на отклике плазмы на зондирующий луч.
Целенаправленное создание в плазме возмущений и исследование динамики их релаксации позволяют определить локальные характеристики плазмы. Динамика плазмы может быть исследована с помощью скоростной оптической развертки.
Спектроскопические исследования позволяют по излучению плазмы оценить значения концентраций электронов пе, ионов я, и т.д.
Широко используют методы зондирования плазмы когерентным электромагнитным полем. Это может быть излучение СВЧ-диапазона, либо лазерное излучение в оптическом или ИК-диапазонах. В этом методе используют интерферометрические методы измерений в схемах типа интерферометров Маха — Ценде- ра, Майкельсона.
Зондирование плазмы является самостоятельной областью научных исследований.
Контрольные вопросы
1. Что такое плазменная электроника?
2. Какие типы газового разряда вы знаете?
3. Что такое плазма?
4. Что такое степень ионизации плазмы?
5. Какие свойства отличают плазму от нейтрального газа?
6. В чем физический смысл дебаевского радиуса экранирования?
7. Что такое идеальная плазма?
8. Какие силы действуют на частицу, дрейфующую в плазме?
9. Что такое тормозное излучение плазмы?
10. Что собой представляет синхротронное излучение плазмы?
11. Что представляют собой пассивные и активные методы измерения параметров плазмы?
ГЛАВА 4
Дата добавления: 2016-06-13; просмотров: 1858;