Глава 2.
Пробой газа низкого давления в переменном электрическом поле.
2.1. Анализ экспериментальных кривых зажигания ВЧ разряда.
Как мы уже говорили, в диапазоне низких давлений слева от минимума кривых
зажигания ВЧ разрядной плазмы имеется область неоднозначной зависимости
пробойного ВЧ напряжения Urf от давления газа р. Такая область неоднозначности
позволяет поджечь ВЧ разряд не только при повышении, но и при понижении ВЧ
напряжения. Одна из характерных кривых зажигания ВЧ разряда в водороде показана
на Рис.2.1. На этом рисунке показаны также такие точки, как точка поворота (при
давлении p = pt и ВЧ напряжении Urf = Ut), минимум и точка перегиба (при
p = pinf и Urf = Uinf).
На кривых зажигания нужно выделить несколько характерных ветвей (участков),
различающихся процессами, принимающими участие в ВЧ пробое газа. Так, например,
ветвь кривой зажигания справа от точки перегиба (р > pinf) слабо зависит от
материала электродов [26, 29, 103], поэтому можно предположить, что при
р > pinf вторичная электронная эмиссия с поверхности электродов практически не
принимает участия в ВЧ пробое газа. По-видимому, при большом давлении часть
вторичных электронов, эмиттированных из электрода, упруго отражаются от
ближайших молекул газа и возвращаются обратно в электрод. Поэтому число
вторичных электронов, принимающих участие в пробое газа, с ростом давления газа
уменьшается.
В диапазоне давлений между точкой поворота и точкой перегиба находится так
называемая диффузионно – дрейфовая ветвь ВЧ кривой зажигания. В ВЧ пробое при
этом принимают участие не только ионизация молекул газа электронным ударом,
дрейф электронов в ВЧ поле и диффузионный уход электронов на электроды и стенки
разрядной камеры, но и вторичная электронная эмиссия с поверхности электродов.
Улучшение эмиссионных свойств поверхности электродов приводит к уменьшению
пробойного ВЧ напряжения и смещению ВЧ кривой зажигания в область более низких
давлений. Диффузионно – дрейфовая ветвь наиболее ярко выражена при достаточно
больших расстояниях между электродами (L > 1 см) (Рис.2.1, 2.2, 2.3). При
небольших расстояниях между электродами (L < 1 см) диффузионно – дрейфовая
ветвь выражена менее ярко, но при этом на кривой зажигания может наблюдаться
второй мини-мум (Рис.2.2). Этот второй минимум, находящийся при более низких
давлениях, чем минимум диффузионно – дрейфовой ветви, иногда называют основным
(паше-новским) минимумом [104]. Поэтому данную ветвь ВЧ кривой зажигания мы
условно назовем пашеновской (в работе [105] она упоминалась как вторично –
эмиссионная ветвь, а в работе [8] она называлась b – модой пробоя). Ниже мы
объясним, почему данную ветвь кривой зажигания более правильно будет назвать
именно пашеновской.
Сейчас мы более подробно рассмотрим процессы, принимающие участие в ВЧ пробое
газа. Возьмем некоторую точку на кривой зажигания при p > pinf. ВЧ разряд
зажигается, когда электроны набирают необходимую для ионизации молекул газа
энергию. При этом должен выполняться баланс электронов, т.е. число электронов,
родившихся благодаря ионизации, должно быть равно числу электронов, ушедших на
электроды и стенки трубки вследствие диффузии и дрейфа в ВЧ электрическом поле.
Амплитуда смещения электронов в ВЧ поле , (Erf - амплитудное значение ВЧ поля,
e и m - заряд и масса электрона, соответственно, w = 2ЧpЧf, nen - частота
электрон – нейтральных соударений) в этом диапазоне давлений мала по сравнению
с зазором между электродами L. Райзер в своей книге [106] утверждает, что для
зажигания разряда каждый электрон до ухода на стенки разрядной камеры или
электроды должен совершить в среднем 3 – 10 ионизующих столкновений с
молекулами газа, что, по–видимому, справедливо как для пробоя газа в постоянном
электрическом поле, так и для ВЧ пробоя газа.
Теперь немного уменьшим давление газа в разрядной камере. При этом электрон
реже сталкивается с молекулами газа, теряет меньше энергии на возбуждение
электронных, колебательных и вращательных уровней молекул. Поэтому электрон
может набрать необходимую для ионизации молекул энергию в меньшем ВЧ поле, и
пробойное ВЧ напряжение с понижением давления газа уменьшается.
При давлениях газа p Ј pinf начинает играть роль вторичная электронная эмиссия
с поверхности электродов [26, 29, 103]. Часть электронов, ушедших в электроды
из-за колебательного движения в ВЧ поле, может вернуться в межэлектродный
промежуток в виде вторичных электронов. Это означает, что в ВЧ пробое принимает
участие дополнительный источник заряженных частиц. Поэтому при p Ј pinf
пробойное ВЧ напряжение с понижением давления газа уменьшается более быстро,
чем при p > pinf.
Дальнейшее понижение давления газа приводит к тому, что заметная часть
электронов уходит в электроды при осцилляциях в ВЧ поле, поэтому пробойное ВЧ
напряжение достигает минимума (для диффузионно – дрейфовой ветви) и затем
начинает увеличиваться. Когда амплитуда смещения электронов A = L/2, большое
количество электронов уходит в электроды, и кривая зажигания проходит через
точку поворота с координатами p = pt и Urf = Ut (Рис.2.1).
Теперь установим давление газа в разрядной камере p = pt и приложим к
электродам ВЧ напряжение, немного превышающее Ut. При этих условиях ВЧ разряд
может не зажечься из-за того, что подавляющее большинство электронов уходит в
электроды, не успев перед этим совершить достаточное количество ионизующих
столкновений с молекулами газа. Для зажигания ВЧ разряда нужно либо приложить к
электродам высокие ВЧ напряжения, позволяющие электронам набрать высокие
энергии (десятки электронвольт) и резко увеличить частоту ионизующих
столкновений электронов с молек
- Київ+380960830922