О контрагировании высокочастотного разряда низкого давления Текст научной статьи по специальности «Физика»

й ИЗВЕСТИЯ ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 276 1976

УДК 537.521.1

О КОНТРАГИРОВАНИИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА

НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

В. И. ШИШКОВСКИЙ, А. А. СОЛОВЬЕВ, В. Н. СЕРГЕЕВ (Представлена научным семинаром физико-технического факультета)

Рассматриваются вопросы контрагирования высокочастотного разряда низкого давления. Приведены результаты экспериментов в воздушной плазме. Показано,, что в зависимости от давления и тока разряда высокочастотный разряд имеет различный механизм контракции.

Таблиц 1, библиографий 7.

Известен ряд экспериментальных и теоретических исследований [1 6], устанавливающих,что положительный столб тлеющего разряда при Р > 1 мм рт. ст. и определенных токовых режимах может контра-гироваться, т. е. образуется резко ограниченный светящийся шнур, проходящий по оси разрядной камеры.

Представляет интерес исследование радиального распределения заряженных частиц в высокочастотных (в. ч.) разрядах. Распределение этих частиц по радиусу цилиндрической разрядной камеры можно получить из решения уравнения

д_ г дг

п дп D'rfr

+ = О,

где п — концентрация заряженных частиц, Da — коэффициент амбипо-лярной диффузии, / — скорость ионизации, R — скорость рекомбинации и прилипания электронов.

Определение / и R для в.ч. воздушной плаемы в настоящее время весьма затруднительно, а радиальное распределение параметров плазмы дает ответ на ряд вопросов, интересных как в научном, так и в прикладном плане. Нами проведены экспериментальные исследования радиального распределения электронной концентрации — пе, эффективной электронной температуры — Те и напряженности электрического поля — Ç.

Измерения по двухзондовой методике проводились в кварцевой разрядной камере при различных давлениях и токах разряда. Результаты измерений представлены в табл. 1.

Нами установлено, что при давлении Р = 0,1 мм рт. ст. экспериментальные значения хорошо совпадают с рассчитанными по теории Шот-тки [7], что еще раз говорит о подобии в. ч. разряда низкого давления положительному столбу тлеющего разряда. При давлении

1 мм рт. ст. в. ч. разряд контрагирован.

Мы пока не имеем теории контрагирования в.ч. разряда, поэтому проведем оценку механизма контракции * на основании тех моделей,

2*. 19

__ ^ Таблица1

Радиальное распределение концентрации алектронов

№ п.п. /р = 170 ма fp = 190 ма fp = 210 ма

пг "о Те Е Jh. «0 Te E ÜJL По Te E

эв ^эф см эв бэф CM ЭВ £эф см

н и . н сь * * Т—■ II Он H и H ' а. со II я 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 0 0,12 0,24 0,36 0,48 0,64 0,80 . 0 0,12 0,24 0,36 0,48 0,64 0,80 1,00±0,08 0,76±0,07 0,45±0,04 0,26±0,03 0,24±0,02 0,20±0,02 0,23±0,02 1,00±0,08 0,94±0,08 0,64±0,07 0,38±0,04 0,20±0,02-0,13±0,01 0,21±0,02 10,3±0.8 10,1±0,8 10,2±0,8 11,2±0,8 10,1±0,8 9,7±0,8 10,0±0,8 11,0±0,8 10,7±0,8 10,2±0,8 10,0±0,8 9,6±0,7 10,0±0,8 9,7±0,7 (N M W (N (N ^ W N W « CS N W W -Н-Н-Н-Н-Н-Н41 -H-H+I-H+I-H-H (M Tf со О ^ со Tf Ю ^ Tf t (M N CS <N <N СЧ (M (N СЧ M (M СЧ (N CS CS ' 1,00±0,08 0,81 ¿0,07 0,5 ±0,05 0,37±0,04 0,26±0,02 0,20±0,02 O,3O±0,O4 1,00±0,08 0,73±0,07 0,50±0,05 0,41±0,04 0,22±0,02 0,13±0,01 0» 21 ±0,02 9,9±0,7 9,7±0,7 10,1±0,8 10,0±0,8 10,0±0,8 9,6±0,7 9,7±0,7 10,3±0,8 10,3±0,8 10,0±0,8 9,8±0,7 9,3±0,7 9,8±0,7 9,7±0,7 20±2 22±2 21 ±2 20±2 20±2 21 ±2 19±2 24 ±2 20±2 21 ±2 21±2 20±2 21±2 19±2 1,00±0,08 0,94±0,08 0,60±0,06 0,40±0,04 0,32±0,03 ' 0,22±0,02 0,32 ±0,03 1,00±0,08 0,68±0,07 0,45±0,04 0,42±0,04 0,23±0,02 0,12±0,03 0,22±0,02 9,5±0,7 9,4±0,7 10,1±0,8 9»4±0,7 9,7±0,7 9,7±0,7 9,8±0,8 9,7±0,7 9,5±0,7 9,9±0,7 9,0±9,7 9,4±0,7 9,5±0,7 9,6±0,7 19 ±2 21±2 20±2 19±2 20±2 19±2 19±2 23±2 18±2 18±2 18±2 18±2 . 18±2 18±2

которые известйы в настоящее время для положительного столба [4-6].

Как видно из табл. 1, при Р — I мм рт. ст. с увеличением разрядного тока контрагирование увеличивается. При Р = 1 мм рт. ст. имеем чисто диффузионный режим, т. е. Те и Е постоянны, с точностью до ошибки эксперимента, по всему сечению разрядной камеры пе(Г) меняется в силу того, что электроны гибнут только на стенках, рекомбинацией в объеме можно пренебречь. За счет диффузии электронов на стенку, очевидно, меняется форма функции распределения электронов по энергиям в зависимости от расстояния до оси. По мере удаления от оси уменьшается число быстрых электронов в распределении и, следовательно, значительно падает число ионизаций и (возбуждений. Визуально разряд предоставляется шк ^светящийся шнур, расположенный по оси разрядной камеры. Пр:и таком механизме контракции увеличению рязрядного тока и связанному с ним уменьшению Те на оси должно соответствовать увеличение кои-гтр а ги р ов ан.и я, что и наблюдается в эксперименте.

При переходе к более высоким давлениям, например Р^> 3 мм рт. ст. нами наблюдалось изменение механизма контракции, что ' подтвердило ранее высказанное предположение [6]. Начинает играть существенную роль неоднородность распределений газовой температуры по радиусу. При прохождении разрядного тока разогрев газа происходит неравномерно: температура газа у стенок ниже, чем на оси, а соответственно, плотность выше, поэтому Те у стенок 'будет несколько ниже чем на оси. Это приводит к тому, что ионизация на оси будет происходить более интенсивно и пе будет выше, чем в периферийных частях разрядной камеры. Это в свою очередь вызовет дальнейшее уменьшение плотности нейтрального гаэа, т. е. разбивается лавинообразный процесс, в результате чего образуется токопроводящий шнур, эффективный диаметр которого меньше диаметра разрядной трубки. При этом рекомбинация в объеме также не играет заметной роли. Измерения Те показали, что значение Те в центре несколько выше всех остальных. За счет электронной теплопроводности градиент Гг уменьшается и шнур увеличивается в диаметре, что и видно из табл. 1. Отсюда же и следует, что при неизменяющемся разрядном токе с увеличением давления контракция увеличивается.

ЛИТЕРАТУРА

1. С. Д. Вагнер, А. И. Зуд о в, А. Д. Ха хаев. ЖТФ, 31, 336 (1951).

2. В. Ю. Б аранов, Ю. Н. Ульянов. ЖТФ, 39, 249 (1965).

3. Ю. М. Каган, Р. И. Л я гущен к о. «Оптика и спектроскопия», 15, 13 (1963).

4. А. Т. Р а х и м о в, Ф. Р. У л и н и ч, ДАН СССР, 187„ 72 (1969).

5. В. Ю. Баранов, К. Н. Ульянов. ЖТФ, 39, 259 (1969).

6. Ю. Г. К о з л о в. «Оптика И; спектроскопия», 38, 654 (1970).

7. Б с И о {1 к у, I. I э б е п й о г I «РЬуэ. гэ.», 25, 342, 635 (1924).