§ 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 le < 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
ee = 1или,
г
Рис.12.3.
Оптимальные условия ВЧ-разряда
Минимального значения напряженность поля при высокочастотном пробое Eпр достигает в области, гдеe , 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. Eпр пропорциональна.
З
Рис.12.4.
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.
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).