18.2.2. Свойства разряда

а) Теория электронного взаимодействия. В плазме сверхвысокочастотного разряда скорость электронов отстает по фазе на 90° от приложенного электрического поля, а диэлектрическая проницаемость меньше единицы [40, 178 , 235, 263, 270 , 272, 281]. Соударения между электронами и молекулами газа нарушают это фазовое соотношение и приводят к возникновению составляющей, совпадающей по фазе и представляющей собой проводимость. В предположении, что частота соударений постоянна и достаточно высока, сила трения, действующая на электрон, равна

Уравнение движения каждого электрона имеет вид [140]

Разрешая относительно и опуская получаем

Первый член в уравнении (18.5) представляет движение только в поле постоянного тока, а второй член — составляющие скорости электронов, находящиеся в фазе и противофазе с переменным электрическим полем, обусловленным затуханием.

Плотность переменного тока равна

Вводя в уравнение (18.6) плотность тока смещения получим

Первый член в выражении (18.7) определяет проводимость

а второй — диэлектрическую проницаемость

Более точное выражение можно получить выводя функцию распределения энергии электронов в высокочастотном поле методами кинетической теории газов. В частном случае максвелловского распределения, обычно получающегося при тлеющем разряде, окончательные результаты могут быть выражены [153] в значениях интегральной показательной функции и функции ошибок. В другом исследовании [117] особое внимание было уделено члену затухания. При значениях параметров, представляющих практический интерес, величины как функции очень мало различаются для разных теорий. Если то из уравнений (18.8) и (18.9) имеем

Диэлектрическая проницаемость, проходит через нуль при частоте плазмы

Дифференцирование уравнения (18.8) показывает, что проводимость [52, 62] максимальна при а фазовый угол при этом составляет 45°. Передача энергии от высокочастотного поля к разряду при этом максимальна и соответствует минимальным значениям мощности пробоя, потерь в дуге и утечки через разряд. Проводимость и диэлектрическая проницаемость газового разряда приводят к затуханию и изменению скорости распространения в передающей линии [119, 195], а в резонаторе —к уменьшению добротности и увеличению собственной частоты. Разброс по скоростям и соударения электронов приводят к возникновению шумов,

которые могут быть выражены [169] при помощи эквивалентной температуры. Эти явления представляют основу методов сверхвысоких частот, которые в последние годы нашли широкое применение [86] при экспериментальном исследовании газового разряда.

б) Методы эксперимента. Эксперименты [96], в которых газовый разряд служит диэлектриком, заполняющим пространство между пластинами конденсатора, причем принимаются специальные меры [7] для предотвращения образования экранирующего слоя положительных ионов, подтвердили [127] предсказываемое уравнением (18.9) линейное уменьшение относительной диэлектрической проницаемости тока разряда.

Рис. 18. 7. Измерение электронного взаимодействия в области послесвечения: а — ортогональные волны в квадратном волноводе; б - разнесенные прямоугольные волноводы. (См. [82, 79].)

Такая методика может быть распространена на сверхвысокие частоты с использованием, например, интерферометров [236], коаксиальной линии [44, 148, 252], волноводов [130] и резонаторов [39, 93, 188].

Эксперименты по распространению волн обычно приводят сами к применению отдельных волн для «нагрева» и «зондирования». Например, свойства разряда в различные моменты времени послесвечения исследовались [81] при поджиге импульсами постоянного напряжения с частотой повторения 400 гц. На рис. 18.7, а показана разрядная трубка длиной 20 см и диаметром введенная внутрь квадратного волновода со стороной В волноводе распространяются две нормальные волны: одна с частотой и мощностью производит нагрев плазмы, а другая с частотой и небольшой амплитудой служит для зондирования. При заполнении трубки гелием при давлении обычно наблюдается (как в импульсном [82], так и в непрерывном [55] режиме работы) связь между, нагревающей и зондирующей волнами за счет электронного взаимодействия.

Применение отдельных волноводов для нагревающей и зондирующей волн (такая конструкция представлена на рис. 18.7, б) позволяет производить наблюдения в различных местах вдоль плазмы. Таким способом была исследована теплопроводность послесвечения [79], причем нагревающая волна мощностью возбуждалась импульсами, а зондирующий сигнал представлял незатухающие колебания. Было обнаружено, что теплопроводность, равная при плотности электронов в определяется главным образом потоком тепла в электронном газе.

Многие исследования удобно производить в газовом разряде в резонаторе, при условии принятия мер к предотвращению нелинейных возмущающих явлений, возникающих при больших входных сигналах [49, 76, 222]. Изменение А со невозмущенной собственной частоты резонатора может быть представлено в виде

где функция учитывает пространственное распределение электрического поля и газового разряда. Колебания вида обладают следующими преимуществами: большая амплитуда, высокая добротность, отсутствие контактных трудностей у торцевых стенок; они были использованы, например, в экспериментах [65], проводившихся в диапазоне по измерению частоты столкновений электронов в ртутном разряде. Колебания вида впервые использованные для этих целей, позволяют сделать резонатор проходным, что удобно для проведения измерений в элементах с тонким поперечным сечением [224]. Результаты, полученные с такими резонаторами на частотах 2,6 и показывают [223], что в положительном столбе разряда в водороде частота столкновений может быть эмпирически выражена как произведение на давление в миллиметрах ртутного столба, а в области отрицательного свечения плотность в 300 раз больше. Значения электронной плотности хорошо совпадают с результатами как других аналогичных экспериментов [88, 115, 234, 282, 294, 299], так и измерений с помощью зонда [194].

На рис. 18.8, а показано устройство [20], предназначенное для исследования кривой спадания плотности электронов в послесвечении от до . Разряд возбуждается в кварцевой камере импульсным магнетроном на частоте Происходящее при этом изменение собственной частоты резонатора фиксируется по отражению зондирующего сигнала малой мощности. При равенстве собственной частоты резонатора частоте сигнала на экране осциллографа наблюдается провал, как это видно на рис. Изменяя частоту сигнала, можно начертить кривую спадания плотности; обычно время спадания составляет 100— 30 000 мксек. Имеются более поздние работы, посвященные дальнейшему изучению данного явления [163, 166, 284].

В последние годы расширились исследования высокочастотных свойств плазмы [323]. Наблюдалось излучение плазмы [13, 259], была установлена возможность преобразования частоты с помощью плазмы [301] и генерации миллиметровых волн при взаимодействии плазмы с электронным пучком [280]. При изучении распространения волн в плазме [292, 296, 315, 317, 318, 321] рассматривались, в частности, тонкий лист [283], линейные антенны [319, 320] и секторный рупор [307].

Рис. 18. 8. Измерение характеристик послесвечения: а — схема прибора; б - цикл настройки; в — типичные экспериментальные результаты. (См. [20].)

Наличие дисперсии [328] позволяет возбудить обратные волны [287, 326, 331]. Многие эксперименты значительно упрощаются при замене плазмы различными моделями в виде искусственной поглощающей среды, в качестве которой применяются стержни или параллельные пластины. В ряде экспериментов исследовались рассеяние волн [28, 261, 316] и ударные волны [211, 290].