CC BY
47
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
А.И. Герасимов, И.В. Герасимов, Т.П. Копейкина
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВОГО АНАЛОГА ЭФФЕКТА ГАННА*
В работе представлены результаты исследования экспериментально обнаруженного периодического режима разряда в двухэлектродной системе при приложении к электродам постоянного высоковольтного напряжения. Периодический разряд наблюдался в воздухе в диапазоне форвакуума. Определены условия и границы его появления в трубках различного радиуса, но одинаковой длины. Исследован частотный диапазон периодического режима разряда и его зависимость от диаметра трубок, от давления газа, от приложенного напряжения, от продолжительности его существования; измерена температура стенок разрядных трубок между электродами.
По результатам исследований делается вывод, что при определенных условиях в двухэлектродной системе постоянного тока возможно возникновение периодического режима разряда, аналогичного эффекту Ганна в полупроводниках, а именно: вблизи электрода с отрицательным потенциалом возникает отрицательно заряженный объемный (пространственно-локализованный) заряд (домен), являющийся областью сильного электрического поля, которое при движении домена между электродами обозначает его границы ионизованными и возбужденными молекулами газа.
скоростью порядка 105 м/с, домен исчезает у анода. Период tD колебаний тока во внешней цепи образца приближенно равен времени пролета электронов от катода к аноду образца. Новый домен появляется у катода только после устранения на аноде предшествующего, после чего цикл повторяется; домен возникает только в том случае, если время его формирования гф меньше времени ухода tв электронов в анод от места начала формирования домена, т.е. при
гф < г е = L| Зе . Здесь L - расстояние катод-анод, Зе « рЁк_А (31 = Зе - дрейфовая скорость электронов в поле Ёк _ А, при котором начинается формирование домена).
В длинном образце домен может зарождаться в различных (по его длине) областях, т.е. L является удалением от анода места зарождения домена. Плотность тока через образец, по которому
распространяется домен, ]е = впе^еЁк_А, цв -подвижность электронов, Е - поле вне домена. В момент ухода домена в анод плотность тока
увеличивается до величины ]в = р1 /и1Ё1. Результат последовательного повторения процессов нарождения доменов и их последующего устра-
*Работа поддерживалась грантом № 96-26-3.6-3 Министерства общего и профессионального образования РФ. Авторы признательны А.А. Рухадзе за постоянное внимание и интерес к плазменным исследованиям, проводимым в лаборатории физической (плазменной) электроники Костромского государственного университета им. Н.А. Некрасова.
1. Введение. Что такое эффект Ганна?
Английский физик Г анн, исследуя поведение полупроводников в сильном . постоянном электрическом поле при приложении его через омические контакты к произвольно ориентированному образцу полупроводника, обнаружил [1-4], что во внешней цепи образца появляются колебания тока. Период этих колебаний г приближенно равен времени пролета электронов в объеме образца от катода к аноду. Впоследствии обнаруженный эффект был назван эффектом Г анна [5; 6].
В полупроводниковых приборах движение зарядов локализовано только в области р - п - р (или п - р - п) переходов, тогда как в приборах, работающих на основе эффекта Ганна, участвует весь объем полупроводниковых элементов. Это обстоятельство позволяет получать, в частности, сравнительно большую мощность таких приборов (в основном - генераторов).
При эффекте Ганна колебания тока в объеме полупроводника вызывает процесс перемещения в его объеме области сильного электрического поля - домена - объемного заряда отрицательного знака, который возникает в области полупроводникового образца, непосредственной примыкающей к катоду. Пройдя через образец со
© А.И. Герасимов, И.В. Герасимов, Т.П. Копейкина, 2008
0) 600...4500 В
„Г
510 мм
г«ч
0трубки (мм): 3.
15.5, 20.1. 25.
Рис. 1. Блок разрядных трубок по исследованию периодического режима разряда
нения на аноде проявляется в генерации колебаний тока в цепи катод-анод с частотой
/1 = г1 = $1/1.
2. Экспериментальное исследование газового аналога эффекта Ганна
Режим, подобный эффекту Ганна в полупроводниках, был обнаружен много раньше времени представления этой статьи - в середине 80-х годов прошлого столетия [7]. Однако возможность для детального исследования этого явления появилась много позже [8]. В этой работе газовый аналог эффекта Ганна реализуется в экспериментах, в которых регулируемое постоянное напряжение в 600^4500 V подводилось к 2-х электродной системе из пяти разрядных трубок различного внутреннего диаметра (3,8; 6,6; 15,5; 20,1 и 25,8 мм), но с одинаковым расстоянием между
электродами, равным LD = 510 мм. Одним из своих концов все трубки соединялись с общей вакуумной системой (разрежение воздуха в диапазоне форвакуума - 10-3^10 Торр). Второй электрод всех трубок заземлялся (рис. 1). Конструкция источника постоянного напряжения предусматривала возможность подключения к его выходу 4-х конденсаторов напряжением в 3,0 кВ и емкостью в 300 мкф. При реализации периодического разряда конденсаторы соединялись или параллельно, или последовательно.
Для регистрации времени продольного перемещения доменов использовалась схема с двумя фотодатчиками (фотоэлементами или ФЭУ) и с двумя электрическими зондами (рис. 2). Один из них размещался у электрода с отрицательным высоковольтным потенциалом, а второй имел возможность перемещаться вдоль внешней поверхности стенки трубки. Сигналы с обоих датчиков поступали на 2-х канальный запоминающий осциллограф и на частотомер, работающий в режиме измерения интервалов времени. При контроле за амплитудно-фазовыми изменениями с пары датчиков использовался также прибор DSO 2100, преобразующий аналоговые сигналы в цифровую форму для их последующей обработки компьютером. Изменения температуры газа в продольном направлении объемов трубок оценивалось по показаниям термопары, перемещаемой по внешней поверхности их стеклянных стенок.
3. Результаты экспериментов
Исследования границ существования режима периодического пробоя газа в координатах У(р) (V - напряжение на электродах трубок, р - давления газа в их объемах) показали, что характер по-
Рис. 2. Схема установки по регистрации продольного перемещения доменов.
Рис. 3. Зависимость 1(р), определяющая область существования периодического режима разряда при различных его параметрах.
Кривые 1, 2, 3, 4, 5 относятся к зависимостям для трубок с диаметром 2гтив = 25,8; 20,1; 15,5; 6,6;
3,8 мм, соответственно
лученных зависимостей V(p) в целом такой же, как и у кривых Пашена У(р) для разрядов постоянного тока [9] и для разряда униполярного пробоя газа (УПГ) [10-12]: с увеличением диаметра трубок 2гтив (3,8; 6,6; 15,5; 20,1 и 25,8 мм, соответственно, кривые 1^5) граница пробоя газа перемещалась в область меньших значений р и больших - V (рис. 3). При этом порог пробоя по максимуму давления (3,5^4,0 Торр) был практически одинаков для всех радиусов трубок. Зависимость частоты появления доменов от давления /1(р) имела максимум, который приходился (для всех диаметров трубок 2гтив) на р = 0,1^0,3 Торр (кр. 6 рис. 3). Максимум скорости перемещения доменов между электродами был смещен к границе большего давления области существования импульсного режима пробоя газа в координатах V,р (рис. 3, кр. 7).
Эксперименты показали также, что время пролета доменов г1 на фиксированное расстояние (на протяженности разрядного объема LD),
т.е. их скорость §, зависит от потенциала V на катоде: с ростом V максимум зависимости г1(Ь1) смещался к катоду, - доменам требовалось меньше времени и меньшее расстояние, чтобы набрать максимальную скорость своего движения (рис. 4). После этого скорость дальнейшего продольного движения доменов § практически не менялась (наклон кривых 1, 2, 3 рисунка 4 к оси расстояний был постоянным и весьма малым (в экспериментах максимум $ « 4,0 106 мс_);
результаты рисунка 4 получены при р = 0,8 Торр в трубке с 2гтв = 6,6 мм и частоте формирования доменов /1 = 0,7 Гц.
Область максимальной температуры газа в объеме трубки (измерялась температура ее стенки Тя) наблюдалась на расстоянии в 25^40 см от электрода с отрицательным потенциалом, -в области максимальной скорости движения доменов 31 для соответствующих напряжений на электродах (кривые 4^6 рисунка 4 получены при тех же параметрах разряда, что и кр. 1, 2, 3, т.е. для 3,4^4,26 кВ, соответственно).
На рисунке 5 показаны результаты измерения времени пролета г1 доменов на фиксированное расстояние в 505 мм между фотоэлементами в зависимости от продолжительности г процесса их генерации и от напряжения на электродах. Максимум скорости смещения доменов
= ьв/гв = 0,505/3,5-10_7 =1,44-106 мс_ наблюдался через г = 6,5 минут после начала процесса их последовательного формирования (самая нижняя точка кривой 1 зависимости г1(г) (рис. 5)). Через ~50 минут от начала процесса скорость перемещения доменов 31 уменьшается до «4,4-105 мс-1, оставаясь в дальнейшем без изменения (верхняя часть кр. 1 рис. 5).
Рост межэлектродного напряжения V (до 3,7^3,9 кВ) увеличивает скорость перемещения доменов до максимальной, равной «6,59-105 мс~1 (самая нижняя часть кр. 2 рис. 5); при последующем росте V скорость доменов 31 изменяется
Рис. 4. Время перемещения доменов по длине трубки и температура ее стенок при различной величине отрицательного потенциала на катоде
ІГ), МКС
Рис. 5. Зависимость времени перемещения доменов от длительности процесса их периодического появления и величины отрицательного потенциала на катоде
мало, оставаясь практически постоянной. Зависимость г1(У) (кр. 2 рис. 5) получена при давлении р = 1,5 Торр.
Увеличение диаметра трубок с 3,8 мм до 25,8 мм (при сохранении постоянными других параметров разряда - V = 4,26 кВ, р = 1,8 Торр и LD=28,5 см) уменьшает: 1) скорость перемещения доменов
(кр. 1 рис. 6) с 31 =(0,285/5 -10_7 )= 5,7 -105 мс _
до 31 = (0,285/3 -10_6 )= 9,5 -104 мс_ ; 2) частоту /1 формирования доменов с 5,0 до 2,5 Гц (кр. 2 рис. 6). При этом обнаружена зависимость частоты появления доменов/ от временного интервала г с начала процесса их формирования (рис. 7). Максимальное значение/1 наблюдалось при г« 9 минутам с момента появления периодического режима разряда. В последующем (временной интервал 50 минут) частота/1 спадала до величины, которая была меньше ее начального значения (кр. 1 рис. 7). Локальная температура стенки разрядной камеры, Т№, К изменялась в той же закономерности, что и/1 (кр. 2 рис. 7).
Движение доменов внутри объема трубки сопровождается появлением на внешней поверхности разрядной трубки области движущегося отрицательного потенциала с его резким изменением на границе этой области. Его амплитудное значение и длительность позволяли фиксировать размеры домена (его геометрию) и величину его поля. При этом объем домена VD фиксировался электрическими зондами на поверхности трубки и подвижной парой фотодиодов как в области его первоначального появления (формирования) вблизи катода, так и при его последующем движении к аноду (осциллограммы рис. 8; V = 4,26 кВ, диаметр трубки 2гтив = 6,6 мм).
Экспериментами было установлено, что на некотором расстоянии от катода С^^), объем движущегося домена VD увеличивается до максимального, причем расстояние это уменьшалось с увеличением радиуса трубки: так, при V= 4,26 кВ и 2г„_. = 6,6 мм - = 21^23 см (рис. 8);
у Т иВ ' МАХ '
при 2гтив = 25,8 мм - LШXC = 5^6 см.
Рис. 6. Зависимость от диаметра трубки частоты появления доменов и времени их перемещения
Рис. 7. Зависимость температуры стенок трубки и частоты формирования доменов от длительности периодического режима разряда
4. Обсуждение и выводы
В целом эксперименты с импульсно-периодическим режимом разряда постоянного тока показали, что:
- в границах объемов движущихся доменов локализовано непрерывное распределение отрицательного заряда (тоже самое наблюдается [13; 14] и в свободных объемных зарядах (СОЗах) в без-электродном разряде УПГ);
- границы объемов доменов достаточно точно фиксируются оптическими (фотоэлементы, фотоумножители, фотодиоды) и электрическими (электрические зонды внутри и на поверхности разрядных трубок) методами исследований;
- в разрядных трубках с одинаковым давлением газа, с равной площадью поверхности потенциального электрода и одинаковым потенциалом на нем, но с различными радиусами, первоначальный объем доменов был одинаков (рис. 1);
- в общем случае форма домена похожа на эллипсоид вращения; при этом в разрядных трубках с одинаковой площадью потенциального электрода, но с большим радиусом, ширина домена в направлении его перемещения меньше, чем в трубках меньшего радиуса (рис. 1);
- сферическая форма домена наблюдается только вблизи границы существования периодического разряда по максимуму давления газа [12], и только при площади поверхности потенциального электрода много большей, чем площадь поперечного сечения разрядной трубки (при схеме эксперимента, показанной в нижней части рисунка 1);
б.
Рис. 8. Осциллограммы зондовых сигналов при прохождении доменов -свободных объемных зарядов (СОЗов) - по длине объема трубки
- частота появления (формирования) доменов увеличивается пропорционально росту отрицательного потенциала катода и уменьшается с увеличением диаметра трубки и с ростом продолжительности разрядного процесса;
- время формирования доменов уменьшается, а их объем VD и скорость смещения от потенциального электрода увеличиваются (до максимальной
Зв « 6,59 106 мс-1) пропорционально росту потенциала отрицательной полярности на нем.
Подвижными электрическими зондами на поверхности трубки можно было проследить (рис. 8) [13; 14] эволюцию периодически возникающих объемных зарядов на всем пути их движения внутри разрядной трубки: с момент их появления (формирования) вблизи катода и до устранения на заземленном электроде. Продольные размеры доменов определялись так же, как размеры движущихся с большой скоростью пространственно-локализованных объемных зарядов (СОЗов) в разряде униполярного пробоя газа (УПГ) [12-14]. При этом первоначальный (вблизи потенциального электрода) объем VD домена, его длина в трубках с одинаковыми радиусами, но с большей площадью поверхности потенциального электрода, была значительно больше.
Его последующее изменение при смещении к противоположному электроду можно было зафиксировать или подвижной парой фотодиодов (или ФЭУ) по границе светящейся оболочки доменов из возбужденных и ионизованных молекул и атомов газа [8], или подвижными кольцевыми электрическими зондами на поверхности трубки по резкому изменению потенциала этих зондов ([7], осциллограммы рис. 8). Аналогичная картина наблюдается и при диагностике поверхностными зондами размеров и заряда движущихся СОЗов [10-14].
Потенциал (и заряд), наводимый распадающимися движущимися доменами на электрических зондах с определенной площадью их поверхности, позволял контролировать (рис. 8) процесс постепенного устранения положительного заряда ионов, возникшего в локальной области объема газа в трубке под действием сильного поля домена в момент его прохождения через эту область.
После ухода домена из локальной области объема трубки объемный заряд ионов, возникший при ударном воздействии [7; 8] поля
¥ЁС, = pD|еа домена на молекулы газа, сохраня-
ется еще длительное время (десятки микросекунд, части осциллограмм положительной полярности рисунка 8). Именно это обстоятельство обеспечивает наблюдение стационарного характера свечения газа на большой (>4 м) длине разряда униполярного пробоя газа, УПГ [10-14].
По осциллограммам, аналогичным приведенным на рисунке 8, можно проследить изменения объема VD доменов при их перемещении со скоростью Зг> между электродами в трубке с радиусом Гтив: VD = ЯУ-гиБ Х LD = КГТиБ Х ^D Х г(-) (г(-) -
длительность сигнала отрицательной полярности). Расчеты показали, что объемы VD движущихся доменов увеличиваются до максимального на некотором расстоянии от катода ЬМАХ. С увеличением радиуса трубки расстояние это уменьшается: при V=4,26 кВ для трубки с 2гтиБ = 6,6 мм -Ь... „ = 21^23 см; при 2г„„. = 25,8 мм - Ь... „ = 5^6 см.
МАХ ’ ~ ТиБ ’ МАХ
Момент соприкосновения доменов с поверхностью анода (круглая пластинка из листового молибдена, приваренная к молибденовому вводу в трубку из молибденового стекла) сопровождался сильным гидродинамическим ударом о поверхность пластинок, что часто приводило к их разрушению (броски тока при устранении доменов на аноде могли достигать 2^6 А при длительности этих токов в 3^8 мкс, т.е. на заземленный электрод за это время уходил заряд доменов в 5(10-6^10-5) Кл, распределенный на длине домена ЬD в 30^45 см (в зависимости от радиуса трубки). На кольцевых зондах, размещенных на внешней поверхности трубок, при перемещении домена в объеме газа наводился заряд, поверхностная плотность которого соответствовала появлению у поверхности трубок поля Ё5 = а5/ 3еа порядка 106^108 В/м.
В ходе проведения экспериментов было установлено, что периодический режим разряда возникает только при подключении к выходу источника постоянного напряжения конденсаторов различной емкости (кратной 300 мкФ). При отключении конденсаторов наблюдается обычный стратифицированный разряд постоянного тока. Отсюда вывод: емкости, подключаемые к выходу источника, выполняют роль накопителей такого количества отрицательного электрического заряда, которое обеспечивают его непрерывное стекание и неразрывное заполнение такой части объема разреженного газа разрядной трубки, при котором
электростатическое поле объемного отрицательного заряда, сошедшего в разреженный газ, само прекращает дальнейший процесс непрерывного схода отрицательного заряда в объем газа трубки.
Повторяется этот процесс только через промежуток времени, достаточный для устранения заряда домена его стеканием через заземленный электрод таким же непрерывным процессом. Очевидно, что частота рождения и устранения доменов, наблюдаемая в экспериментах, зависит:
1) от возможности накопления в конденсаторах определенной величины заряда (т.е. от величины потенциала на выходе источника и величины электрической емкости, подключаемой к его выходу);
2) от давления газа в трубке и от его объема (сход в разреженный газ в непрерывном процессе определенной величины заряда отрицательного знака и его последующая неразрывная, непрерывная пространственная локализация требует, во-первых, определенной площади поверхности потенциального электрода, участвующей в непрерывном сходе конкретной величины отрицательного заряда; во-вторых, требуется возможность выделения в разреженном газе для сошедшего заряда (в условиях его неразрывности) определенного объема, который зависит и от степени разрежения газа, и от его общего объема, т.е. от размеров трубки); 3) перемещение объемного заряда отрицательного знака в состоянии его неразрывной, непрерывной пространственной локализации испытывает сопротивление со стороны молекул разреженного газа, которое приводит к его нагреву; 4) электрическая цепь заземленного электрода должна обеспечивать минимально возможное время непрерывного стека-ния на землю объемного заряда, сместившегося к поверхности заземленного электрода.
Результаты исследований требуют установления природы отрицательного объемного заряда домена, поскольку непрерывность (неразрывность) этого заряда в едином для него объеме исключает его представление в качестве единого (совместного) заряда отдельных электронов: уравнение непрерывности (неразрывности) заряда
= -\{др/дt УV не может быть соотнесено
с объемным зарядом электронов ни в объеме домена [1-8] в периодическом разряде постоянного тока, ни в объеме единого заряда СОЗов в без-электродном разряде УПГ [10-14]: кулоновское отталкивание электронов, являющихся фермио-нами, исключает такую возможность.
Библиографический список
1. Gunn J.B. // Progress in Semiconductors. -1957. - V 2. - P 211.
2. Gunn J.B. // Sol.-St. Comm. - 1963. - V. 1. -№ 4. - P. 88.
3. Gunn J.B. // IBM J.Res.Dev. - 1966. - V. 10. -№ 4. - P. 300.
4. Gunn J.B. // J.Phys.Soc. Japan. - 1966. -Supplement. - P. 509.
5. Knight B.W., Peterson G.A. // Phys. Rev. -1967. - V. 155. - № 2. - P. 393.
6. Bonch-Bruevich V.L., Zvjagin I.P., Mironov A. Ch. About electrical instability of domains in semiconductors. - Moscow: Nauka, 1972.
7. Gerasimov I. V., Mavlonov Sh. // Theses of III All-Union conferences on physics of the gas discharge. - Kiev, 1986. - P. 419.
8. Gerasimov A.I., Gerasimov I.V // Theses of the 20th Symposium on Plasma Physics and Technology. -Prague, Czech Repuplic, 2002. - P. 89, 91.
9. РайзерЮ.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1987.
10. Герасимов А.И., Герасимов И.В., Гузеев К. C., Кукушкин С.А. // Материалы III Всероссийской научной конференции «Молекулярная физика неравновесных систем». - Иваново; Плес, 2001. - С. 20.
11. ГерасимовА.И., Герасимов И.В. //Тезисы XXX конференции и УТС. - Звенигород; М., 2003. - С. 27.
12. Герасимов И.В. Патент РФ №2076381 «Поверхностный и объемный источник зарядов одного знака» (приоритет от 25.03.1991). БИ №9. 1997. - С. 1227.
13. Герасимов И.В. // Журн. техн. физики. -1986. - Т. 56. - С. 1840; 1994. - Т. 65. - С. 30.
14. Герасимов И.В. // Физика плазмы. - 1988. -Т. 14. - С. 1214.
