CC BY
56
УДК 537.9
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА
В СРЕДАХ С ДИСПЕРСНОЙ ФАЗОЙ
Ю.Ю. Луценко, В.А. Власов, Ю.В. Вендеревская
Томский политехнический университет E-mail: luts@mail.ru
Проведены измерения тока, напряжения и амплитуды электрического поля запылённого высокочастотного емкостного разряда. Установлено увеличение тока, протекающего в разряде при его запылении веществами с потенциалом ионизации менее 7 В. Проведены расчёты параметров электромагнитной волны, распространяющейся в запылённом высокочастотном емкостном разряде. Показано отсутствие изменения характеристик электромагнитного поля разряда при степенях его запыления v<10~2.
Газовые разряды в плазменной технологии обычно используются лишь в качестве источника плазменной струи. Однако переработка веществ непосредственно в газовом разряде имеет ряд преимуществ по сравнению с переработкой веществ в плазменной струе. Прежде всего, для газового разряда характерна более высокая температура плазмы и меньший осевой градиент температуры. Наличие электрических полей и более высокая концентрация электронов в разрядной зоне делают более выраженными каталитические свойства плазмы.
Для проведения процессов в разрядной зоне наиболее оптимально использовать высокочастотные разряды емкостного типа. Разряды этого типа имеют большой объём разрядной плазмы при малом уровне подводимой к разряду мощности. Очистка стенок плазмохимического реактора и интенсификация процессов, протекающих в плазме, может осуществляться посредством амплитудной модуляции.
В настоящей работе были проведены измерения электрофизических характеристик высокочастотного емкостного разряда, запылённого диэлектрическими и проводящими материалами. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Использовался высокочастотный емкостной разряд с одним кольцевым электродом диаметром 48 мм. Наличие второго, заземлённого электрода, как показывает опыт, не оказывает [1] существенного влияния на характеристики и режимы горения емкостного разряда. Разряд возбуждался в кварцевой трубке диаметром 36 мм. Горение разряда осуществлялось в воздухе при атмосферном давлении. Мощность разряда варьировалась от 1 до 3 кВт. Частота электромагнитного поля составляла 40 МГц. Дисперсность материалов, которыми за-пылялся разряд, составляла 20...60 мкм. Порошок подавался в центральную зону разряда посредством пневматического питателя. Расход плазмо-образующего газа составлял 0,6 м3/ч.
Нами проводились измерения вольтамперных характеристик разряда в режиме свободного горения и в случае запыления плазмы разряда диэлектрическими и проводящими частицами. Степень запыления плазмы разряда, определяемая как отношение объёма распыляемого вещества к общему объёму
разрядной камеры, изменялась от 0 до Ю-4. Измерение степени запыления разряда проводилось путём определения изменения веса распыляемого порошка за определённый промежуток времени работы экспериментальной установки. Измерение напряжения осуществлялось вольтметром ВЗ-52/1, снабжённым дополнительным емкостным делителем. Измерение тока проводилось поясом Роговского.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1) трубка для подачи порошка; 2) питатель; 3) емкостной зонд
В результате измерений было установлено увеличение высокочастотного тока в разряде при запылении его такими веществами, как А1203, №2803, Са(СН3СОО)2. При запылении разряда веществами, имеющих потенциал ионизации больший, чем потенциал ионизации [2] кальция, изменение характеристик разряда не наблюдается. В частности, при запылении разряда М, Бе, изменение тока в разряде находится в пределах погрешности измерений. Результаты измерений изменения тока в разряде при запылении его веществами с различным потенциалом ионизации приведены на рис. 2. По оси абсцисс отложена величина ионизационного потенциала, по оси ординат - отношение тока в запылённом разряде к току в свободном разряде.
Математика и механика. Физика
5 6 7 8 9
и, эВ
Рис. 2. Зависимость тока в разряде от величины ионизационного потенциала
Заметим, что увеличение тока в разряде сопровождается соответствующим уменьшением напряжения на высоковольтном электроде. Так при за-пылении разряда окисью алюминия ток возрастает на 15 %, одновременно напряжение уменьшается на 15 %. Следовательно, мощность разряда при его запылении не меняется. Степень запыления и дисперсность запыляющего материала незначительно влияют на сопротивление разрядной плазмы.
Результаты экспериментов показали высокую устойчивость высокочастотного емкостного разряда к запылению как диэлектрическим, так и проводящим материалом. Заметим, что устойчивость разряда к запылению определяется преимущественно изменением в процессе запыления его электродинамических характеристик.
700
600
500
§ 400
а
ы 300
200
100
0
50
100
150
200
компоненты электрического поля емкостного разряда при его запылении несущественны. Наблюдается лишь некоторое увеличение амплитуды электрического поля вдоль оси разряда в случае его запыления проводящим материалом.
Рассмотрим процесс распространения электромагнитной волны вдоль канала высокочастотного емкостного разряда. Как нами показано в работе [1], характер электромагнитного поля высокочастотного емкостного разряда аналогичен характеру электромагнитного поля высокочастотного факельного разряда за исключением зоны, примыкающей непосредственно к высокочастотному электроду. Поэтому можно предположить, что горение высокочастотного емкостного разряда осуществляется за счёт диссипации энергии «прямой» и «отражённой» поперечно-магнитных волн, как и в случае высокочастотного факельного разряда. Затухание электромагнитного поля в плазме разряда, а соответственно и доля энергии затрачиваемой на поддержание процесса горения разряда будет определяться величиной коэффициента затухания электромагнитной волны. В свою очередь коэффициент затухания можно определить из выражения для волнового числа. Волновое число поперечно-магнитной волны, распространяющейся вдоль канала разряда [3] имеет следующий вид:
5 а е
где а - радиус канала разряда; е'=е/е0 - относительная величина комплексной диэлектрической проницаемости плазмы разряда; а - коэффициент затухания; /3 - коэффициент фазы.
30
20
10
| 1 1----
■ —1 Г---
-4
-3
Z, мм
Рис. 3. Распределение электрического поля вдоль оси высокочастотного емкостного разряда: 1) свободно горящий разряд; 2) разряд, запылённый никелем (у=1Сг4)
В связи с этим нами также проводились измерения радиальной компоненты электрического поля высокочастотного емкостного разряда. Измерения проводились емкостным зондом, сигнал с которого подавался на вход осциллографа. Емкостной зонд представлял собой медный штырь диаметром 1 мм и длиной 3...5 мм. Результаты измерений представлены на рис. 3. Из результатов измерений следует, что изменения в осевом распределении радиальной
-2
-1
Рис. 4. Зависимость коэффициента затухания электромагнитной волны в плазме разряда от степени её запылённости: 1) А1203 (диэлектрик); 2) А// (металл)
Комплексную диэлектрическую проницаемость е запылённой плазмы разряда можно определить [4] по формуле Лоренца - Лорентца:
е =е,
1 +
е2+ —(е^е^
Здесь: еь е2 - соответственно комплексные диэлектрические проницаемости запыляющего материала и плазмы; V - отношение объёма запыляющего материала к общему объёму запыленной плазмы. Результаты расчёта коэффициента затухания электромагнитной волны, распространяющейся в плазме высокочастотного емкостного разряда мощностью 1 кВт в зависимости от степени её за-пыления, представлены на рис. 4.
Как видно из рис. 4, изменение коэффициента затухания электромагнитного поля емкостного
разряда наблюдается лишь при степенях запыле-ния у>10~2. Подобные степени запыления на практике невозможно получить. Реальные степени запыления разряда, в частности при использовании пневматического питателя, составляют у<10~4.
Таким образом, результаты расчётов позволяют утверждать, что горение высокочастотного емкостного разряда устойчиво при его запылении диэлектрическими и проводящими материалами при у<10~2, что подтверждается результатами экспериментальных измерений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Луценко Ю.Ю. Особенности электромагнитного поля высокочастотного емкостного разряда шнурового вида, горящего при атмосферном давлении // Журнал технической физики. -2005.-№11.-С. 124-127.
2. Энергия разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. Справочник под ред. В.Н. Кондратьева. - М.: Наука, 1974.- 350 с.
3. Качанов A.B., Трехов Е.С., Фетисов Е.П. Электродинамическая модель высокочастотного факельного разряда // Журнал технической физики. - 1970. - Т. 40. - № 2. - С. 340-345.
4. Нетушил A.B., Жуховицкий Б.Я., Кудин В.Н., Парини Е.П. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. -M.-JL: Госэнергоиздат, 1959. - 480 с.
Поступила 7.12.2006 г.
УДК 621.315.592
ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ СТРИМЕРНОГО РАЗРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
В.В. Паращук, К.И. Русаков*
Институт физики им. Б.И. Степанова НАНБ, г. Минск Брестский государственный технический университет E-mail: v_shchuka@rambler.ru
Промоделирована пространственно-временная динамика стримерных разрядов в полупроводниках с учетом процессов ударной (туннельной и фото-) ионизации, излучательных спонтанной и стимулированной рекомбинации, а также электрон-фотон-ного взаимодействия в сильном электрическом поле. Показана возможность образования в этих условиях пространственно-неоднородных диссипативных структур, автоколебательных регулярных и иных режимов, установлены их закономерности и взаимосвязь с динамикой разряда стримерного лазера. Выявлены немонотонная зависимость характеристик системы от основных параметров ~ скорости возбуждения, времени жизни неравновесных носителей и фотонов, квантовой эффективности активной среды, а также усиление взаимодействия структур в условиях стимулированной рекомбинации, обуславливающие многообразие собственной динамики системы. Излучательные процессы обеспечивают высокую скорость распространения структур, сравнимую с фазовой скоростью света, и являются основным механизмом генерации неравновесных носителей в автоколебательном режиме, соответствующем оптимальным условия возникновения и развития стримера.
1. Введение
Электрические («стримерные») разряды в полупроводниках - сравнительно новое и не до конца изученное явление, представляющее значительный научный и практический интерес [1-4], в частности, для создания нового поколения полупроводниковых лазеров и современной элементной базы
оптоакусто-электроники и информатики на основе использования прямозонных материалов с большой шириной запрещенной зоны.
Ранее [2, 3] была выдвинута и качественно обоснована идея о самоорганизации стримеров, в соответствии с которой процесс развития разряда предполагает многообразие явлений взаимодействия между неравновесными носителями заряда, фотонами, фо-
нонами, электрическим полем и т. д., в том числе образование в такой сложной системе пространствен-но-неоднородных диссипативных структур (ДС) и установление автоколебаний (АК). Указанные режимы, как известно, являются важнейшими элементами поведения (самоорганизации) нелинейной системы [5]. В связи со сложностью рассматриваемых явлений приобретает актуальность численное моделирование соответствующих процессов.
Возможность АК режимов следует из данных наших предварительных исследований [4, 6] и отмечалась также в независимых исследованиях других авторов [7] применительно к условиям туннельного механизма генерации неравновесных носителей и безызлучательной спонтанной рекомбинации. Однако пространственно-временная карти-
