§ 12.3. 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. Однако при достаточно высокой частоте тока, сравнимой с частотой столкновения электронов в плазме, возникает особый разряд -высокочастотный. Он может быть как электродным, так и безэлектродным, и наиболее часто используется в технологических плазменных устройствах электронной техники.

Безэлектродный ВЧ-разряд

В отличие от разрядов постоянного тока, когда процессы на электродахво многом определяют их характер, высокочастотные разряды в большинстве случаев могутсуществовать 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 отрода газа, егорабочего 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. Необходимо рассмотреть соотношение между длиной свободного пробега электрона и характерными размерами камерыL. Если l_e < L, а частота поля  меньше частоты соударений _e, то частицы за полпериода могут долетать до стенок и вызывать вторичные процессы.

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

Если давление газа не слишком велико или если частота настолько высока, что превосходит частоту соударения электронов, то дрейф частиц отсутствует: они движутся почти свободно. Если и далее повышать частоту, 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).

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

_e_e = 1или,

г

Рис.12.3.

де- доля энергии, теряемой при одном столкновении. Тогда возможны два случая развития разряда (рис.12.3). В первом случае при (времени полупериода изменения поля) возможен набор энергии электронами W_eза несколько периодов изменения поляЕ, что облегчает пробой и ионизацию газа. Важно отметить, что изменение энергии электрона следует за изменением квадрата напряженности магнитного поля. Во втором случае приэнергия электронов начинает сильно уменьшаться, они не смогут ионизировать газ и потребуются большие напряженности поля для развития разряда.

Оптимальные условия ВЧ-разряда

Минимального значения напряженность поля при высокочастотном пробое E_пр достигает в области, где_e  , т.е. когда частота столкновения электронов порядка круговой частоты электрического поля. В этом случае достигаетсянаибольшая проводимость плазмы. При высоких давлениях газа (  ) зависимость напряженности пробойного поля от частоты не очень сильная, в то время как при низких давлениях (  _e) для заданного давления она примерно линейная, т.е. E_пр пропорциональна.

З

Рис.12.4.

ависимостьE_пр от давления обычно имеет вид кривых, подобных описываемым закономПашена для разрядов постоянного тока (рис.12.4). Численные значения зависят от рода газа и частоты поля. При наложении внешних магнитных полей, например, в направлении, перпендикулярном электрическому полю, эффективное давление как бы повышается, убыль частиц сокращается, что облегчает условия существования разряда и концентрацию электронов в плазме. Это объясняется тем, что, описывая винтовые траектории на пути вдоль электрического поля, электрон вынужден проходить большие расстояния, что увеличивает число его соударений с молекулами газа на единицу пути.

Два типа ВЧ-разрядов

Высокочастотные разряды можно разделить на два типа:

1) Е-разряды (рис.12.5,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;

2

Рис.12.5.

)H-тип разряда (рис.12,5,б) - имеют индуктивную связь с внешними полями и существуют в устройствах типа диэлектрических камер, помещенных внутри катушки индуктивности контура.

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 (с точностью).