Физическая энциклопедия
- СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РАЗРЯД
- один из видов электрическогоразряда в газе, возбуждаемый быстропеременяым электрич. полем в диапазонечастот
Гц (длина волны 
= 30 см Ч- 3 мм). В зарубежной литературе этот разряд наз. микроволновым.
Рис. 1. СВЧ-разряд в волноводе: 1 - волновод; 2 - отверстие связи;3 - трубка с прокачкой; 4 - брюстеровские окна; 5 -лазерные зеркала; 6- радиопоглощающая нагрузка.
Способы возбуждения. По условиям возбуждения сверхвысокочастотные(СВЧ) разряды могут быть разделены на неск. видов. 1) Разряды в волноводах, <возбуждаемые полями бегущей или стоячей эл.-магя. волны. При этом или самволновод наполнен газом, или в него введены газонаполненные диэлектрич. <трубки. На рис. 1 представлена схема С. р. в волноводе, используемого длясоздания активной среды газового лазера. К разновидности волноводного С. <р. может быть также отнесён разряд, поддерживаемый поверхностной плазменнойволной, возбуждаемой в пределах волновода (рис. 2). По такой схеме возбуждаетсястационарный разряд в СВЧ-плазмотронах.2) Разряды в резонаторах(рис. 3) возбуждаются также либо в газонаполненном внутрирезонаторном пространстве, <либо в газонаполненном баллоне, расположенном внутри резонатора. Применениерезонаторов позволяет относительно просто получать в лаб. условиях разрядыв сверхсильных сверхвысокочастотных электрич. полях (до 106 В/см), для достижения к-рых в свободном пространстве используются генераторына релятивистских электронных пучках. 3) С. р. в свободном пространствевозбуждаются пучками мощного СВЧ-излучения (рис. 4). Разновидностыо такогоразряда является несамостоятельный разряд, в к-ром ионизац. состояние поддерживаетсявнешним (неполевым) источником, а энергия в ионизованную среду вводитсяс помощью сверхвысокочастотного электрич. поля, величина к-рого меньшепорога пробоя (рис. 5). Разряды в пучках СВЧ-излучения используются в экспериментах, <моделирующих локализованные искусственно ионизованные области над Землёй, <а также в плазмохимии для получения высокочистых продуктов реакции.
Рис. 2. СВЧ-разряд в диэлектрической трубке, поддерживаемый плазменнойволной: 1 - волновод; 2 - плазма; 3 - диэлектрическая трубка.
Рис. 3. СВЧ-разряд в резонаторе: 1 - резонатор; 2 - плазменный цилиндр;3 - петля связи.
Рис. 4. СВЧ-разряд в свободном пространстве: 1 - диэлектрическаялинза, формирующая сходящийся СВЧ-пучок; 2 - вакуумная камера; 3 - радиопоглощающаянагрузка; 4 - плазма.
Рис. 5. Несамостоятельный СВЧ-разряд в свободном пространстве: 1- диэлектрическая линза; 2 - СВЧ-поле (меньще порога пробоя); 3 - кольцевойисточник УФ-излучения.
Пороги возбуждения. В СВЧ-разрядах энергия эл.-магн. волн передаётсяплазме. Под действием электрич. поля электроны приобретают кинетич. энергию, <к-рая затем в соударениях с ионами и атомами переходит как в энергию тепловогодвижения самих электронов, так и в энергию возбуждения и тепловую энергиюмассивных частиц.
Характер физ. процессов С. р. (пробой газовой среды, динамика разряда, <пространственная структура и т. д.) зависит от соотношения между эфф. частотойсоударений электронов с атомами и молекулами газа v т ичастотой электрич. поля со. При
(высокие частоты поля и низкие давления газа) электроны движутся в электрич. <поле почти как свободные. При 
(низкие частоты поля, высокие давления газа) электроны дрейфуют в перем. <электрич. поле СВЧ-волны, E(t)= E0coswt, со скоростью 
т. е. в каждый момент движутся с той же скоростью, что и в пост. электрич. <поле, напряжённость к-рого равна мгновенному значению перем. электрич. <поля с амплитудой Е 0.Энергия, приобретаемая электроном в СВЧ-поле,
где
-ср. относит. доля энергии, передаваемая электроном атому или молекуле пристолкновении с ними. На рис. 6 приведены эксперим. зависимости порога возбуждения Et самоподдерживающегося С. р. от давления рабочего газа р дляразл. газов и при разных условиях. Зависимости всегда имеют минимум. Налевой ветви, где порог падает с ростом давления, он тем ниже, чем большеразмеры разрядного объёма, характеризуемые диффузионной длиной 
(рис. 6, а), и чем меньше частота поля f (рис. 6, в). То же относитсяи к самой величине минимума. На меньших частотах минимум располагаетсяпри более низких давлениях. На правой ветви, где порог растёт с повышениемдавления, зависимость порогового поля от размеров и частоты становитсявсё менее заметной и в пределе больших давлений почти совсем исчезает -все кривые асимптотически сливаются.
Рис. 6. Измеренные пороги СВЧ-пробоя: а - воздух, частота f = 9,4ГГц; б - несколько газов, f = 0,99 ГГц,
= 0,63 см; в - Heg-газ (гелий с добавкой паров ртути),
= 0,6 см.Теория вполне удовлетворительно описывает пороговые характеристики С. <р. Если СВЧ-поле включается достаточно быстро и параметры его сохраняютсядлит. время (по сравнению с характерным временем развития ионизации), порогвозбуждения СВЧ-разряда определяется след. «стационарным» критерием:
где
- частота ионизации,
- частота прилипания электронов к атомам и молекулам рабочегогаза,
- частота диффузионных потерь электронов (
, D - коэф. диффузии электронов).В области высоких давлений диффузионные потери электронов незначительныи даже не слишком большая скорость ионизации обеспечивает пробой.
Т. к. при
энергия электронов (1) практически не зависит от vm иот давления, то с ростом давления и, следовательно, vm остаётся неизменной п частота ионизации vi. Однако сувеличением давления падает частота диффузионных потерь электронов, чтоприводит к уменьшению порогового электрич. поля Et, При 
энергия электронов 
, т. к.
.Поэтому с ростом давления растёт величина порогового поля Е t. Положениеминимума кривой Et(p )можно установить на основании условия, <разграничивающего предельные случаи 
и 
, аименно, в случае равенства по порядку величины частот столкновений и поля:
В условиях короткой длительности импульса
порог возбуждения разряда определяется «нестационарным» критерием: за время 
лавина электронная с нач. концентрацией электронов n0 должна дорасти до нек-рой конечной величины п:
Ур-ние (3) обобщает «стационарный» критерий (2) и сводится к нему при
. Обычно за конечную концентрацию принимается такая критич. концентрация 
,при к-рой плазменное образование отражает СВЧ-излучение, как металлич. <зеркало.Для пробоя молекулярных газов при прочих равных условиях требуются болеевысокие поля, чем для атомарных, т. к. электрону приходится затрачиватьэнергию на возбуждение колебательных п др. более низколежащих электронныхуровней в молекулах, и это тормозит набор энергии в поле. В электроотрицат. <газах пороги СВЧ-пробоя также высокие, поскольку существуют дополнит. потерина прилипание.
Динамика сверхвысокочастотного разряда. Энергия СВЧ-волны, поглощаемаяплазмой в разряде, передаётся атомам и молекулам, изменяя состояние газовойсреды п меняя параметры самой плазмы в ходе развития газоразрядного процесса. <Лишь совокупность спец. мер позволяет добиться стационарности плазменногообразования, так необходимой в ряде приложений.
В совр. технике применяются и волноводные источники стационарной газоразряднойплазмы (СВЧ-плазмотроны). Разряд возбуждается и поддерживается СВЧ-излучениеммощностью в неск. кВт в пересекающей волновод диэлектрич. трубке с прокачиваемымчерез её объём газом. СВЧ-плазмотрон обладает высоким кпд - до 90%; разрядныеусловия близки к равновесным с темп-рой разрядной среды Т
9000- 10000 К.С. р., поджигаемые мощным импульсным СВЧ-излучением в свободном пространствеили внутри волноводов, обычно не горят в одном месте, а перемещаются навстречуизлучению. В волноводах движение С. р. наблюдалось в широком интервалеизменения давлений и плотностей потока СВЧ-излучения как в атомарных, таки в молекулярных газах и смесях. Если при Е 0< Et вотдалённом от излучателя конце волновода стимулируется пробой, напр. вводомусиливающего электрич. поле острия, то навстречу излучению распространяетсяволна ионизации, приводящая при достаточно длит. импульсе к выходу разрядана окно СВЧ-генератора. Скорости движения зависят от мощности СВЧ-излучения, <рода газа и его давления и лежат в интервале
Наиб. скорости зарегистрированы в атомарных газах, наименьшие - в молекулярных.Ионизационные волны характерны и для С. р. в свободном пространствев сходящихся СВЧ-пучках. В надпороговых полях ( Е 0Et )разрядв виде светящегося слоя толщиной
соскоростью 
движется от места возникновения (фокальная плоскость) навстречу излучению. <Скорость фронта ионизации зависит от рода газа, давления, поля СВЧ-волныи сходимости СВЧ-пучка. В полях Е 0 < Et инициированныйтем или иным способом разряд в виде неоднородного плазменного слоя с осевымразмером 
«убегает»от инициатора навстречу излучению со скоростями 
, также зависящими от СВЧ-мощности, рода газа и давления.В надпороговых полях динамика разряда определяется процессами, аналогичнымиоптическому пробою. Появление ионизационной волны связано с пространственной(аксиальной) неоднородностью пучка и падением амплитуды электрич. поляпо мере смещения от фокуса к излучателю. Быстрая ионизация газа в областивысоких полей и замедленная в области низких приводят к появлению кажущегосядвижения разряда вдоль оси с тем большей скоростью, чем слабее зависимостьчастоты ионизации от Е 0 и чем меньше угол сходимостипучка. Аксиальный размер области свечения определяется величиной ослабления(«скинирования») интенсивности пучка созданной им же газоразрядной плазмой.
Перенос ионизации осуществляется разл. механизмами: диффузией возбуждённыхи заряж. частиц, за счёт теплопроводности, собственного ионизирующего излученияразряда и т. д. В зависимости от условий один к.-л. процесс может игратьопределяющую роль, в соответствии с чем механизм распространения разряданаз. теплопроводностным, диффузионным, фотоионизационным (или радиационным),газодинамическим и др.
Устойчивость и пространственная структура сверхвысокочастотного разряда. Какстационарные, так и движущиеся навстречу волне С. р. характеризуются сложностьюформы, прежде всего наличием мелкомасштабной пространственной неоднородности. <Неоднородность разряда, как правило, тем существенней, чем выше отношениеvm/w. Важную роль в формировании структуры разряда играют ионизационныенеустойчивости, к-рые можно разделить на два класса: ионизационно-полевые(или электродинамические) и ионизационно-перегревные (или газодинамические).
И о н и з а ц и о н н о - п о л е в ы е неустойчивости характерны дляразреженных газов и высокой частоты w. Физ. механизм возникновения этойнеустойчивости основан на явлении плазменного резонанса: пока величинаэлектронной концентрации остаётся ниже критической
, её увеличение в тонком слое, перпендикулярном полю, сопровождается увеличениемамплитуды поля (
,где 
- диэлектрическаяпроницаемость плазмы:
-
). Это, <в свою очередь, приводит к возрастанию частоты ионизации vi и, следовательно, к дальнейшему росту п е. В результатев первоначально однородном разряде образуются плоские неподвижные слои( страты), перпендикулярные вектору электрич. поля (см. также Низкотемпературнаяплазма).Ионизационно-перегревная неустойчивость связана с ростом скорости ионизациипри увеличении темп-ры и характерна для высоких давлений газа и малых частотСВЧ-излучения. Физ. механизм этой неустойчивости заключается в следующем:в области локального флуктуац. роста концентрации электронов повышаетсяэнерговыделение, растёт темп-pa газа, падает концентрация молекул (атомов)рабочего газа и, соответственно, растёт частота ионизации vi,что приводит к дальнейшему росту концентрации п е. Развитиенеустойчивости приводит к распаду первоначально однородного разряда наотд. нити (шнуры), вытянутые вдоль электрич. поля. Эл.-магн. волновая природавозбуждающего разряд излучения сказывается на периодичности возникновенияшнуров и на параметрах плазмы, достижимых на конечной (нелинейной) стадииразвития неустойчивости. Характерная фотография разряда в газе высокогодавления в пучке СВЧ-волн, демонстрирующая сложную структуру плазменногообразования в результате развития неустойчивости, приведена на рис. 7.
Вторичноэлектронные вакуумные сверхвысокочастотные разряды (ВЭР).К С. р. относятся и т. н. вторично-электронные (или «мультипликаторные»)разряды, развивающиеся в вакууме у поверхностей взаимодействующих с СВЧ-излучениемметаллич. электродов, стенок волноводов и резонаторов, диэлектрич. преград. <Явление ВЭР состоит в лавинообразном росте электронной концентрации у одиночнойповерхности (односторонний разряд) или между двумя поверхностями (двустороннийразряд). Разряд развивается за счёт вторичной электронной эмиссии. ВЭРограничивают интенсивность излучения мощных генераторных СВЧ-приборов, <развиваясь в объёме самого прибора, на его выходных окнах или в элементахтранспортирующего излучение тракта.
Рис. 7. Фотография СВЧ-разряда в воздухе, возбуждаемая пучком СВЧ-волн;f = 37 ГГц; давление р = 300 мм рт. ст.
Применение. С. р. широко применяются в совр. технике. Ряд плазмохим. <процессов, таких, как получение чистого кварца, разл. соединений металлов, <связывания азота с кислородом в воздухе, диссоциация углекислого газа идр., с высокой эффективностью протекает в разрядах, возбуждаемых СВЧ-полями. <Преимущества СВЧ-разрядов в плазмохимии прежде всего связаны с возможностьюпостроения реакторов для получения особо чистых веществ.
Относительно высокая устойчивость и специфика вида функции распределенияэлектронов по энергиям обусловливают использование С. р. в технике молекулярныхэксимерных и др. газоразрядных лазеров.
Уникальные свойства СВЧ-диапазона, позволяющие с мин. потерями передаватьэнергию по трассе Земля - космос с включением атм. участка, лежат в основеряда проектов использования мощных СВЧ-пучков для создания свободно локализованныхискусств. плазменных областей в атмосфере.
Лит.: Мак-Доналд А., Сверхвысокочастотный пробой в газах, пер. <с англ., М., 1969; Батанов Г. М. и др., СВЧ разряды высокого давления,«Труды ФИАН», 1985, т. 160, с. 174; Р а й з е р Ю. П., Физика газовогоразряда. М., 1987: СВЧ-генераторы плазмы, М., 1988; Высокочастотный разрядв волновых полях. Сб. науч. трудов, Горький, 1988. И. А. Коссый.