Часть I. Глава 3.Пробой газа в различных частотных диапазонах

3.2. ВЧ-пробой

Диапазон высокочастотных колебаний составляет 105÷108 Гц. ВЧразряд и СВЧ-разряд во многом схожи. Как и в СВЧ-разряде, электрон, попав в ВЧ-поле, наряду с поступательным движением совершает колебательные движения. При столкновении электрона с атомами или молекулами он приобретает дополнительную энергию. Развитие ВЧразряда зависит от схемы возбуждения, т.е. от схемы подключения газоразрядной трубки. Различают индукционный способ (рис. 3.2, а), когда газоразрядная трубка подключается между витками катушки трансформатора Тесла, и емкостной способ (рис. 3.2, б; 3.2, в).

Рис. 3.2. Схемы возбуждения ВЧ-разрядов:

а – индукционный (при помощи соленоида); б – напряжение подается на

электроды, соприкасающиеся с плазмой; в – электроды изолированы от

плазмы (безэлектродный емкостной способ)

Чаще используется емкостной способ, когда трубка помещается в промежуток между плоскими электродами, на которые подается ВЧнапряжение. В различных работах [3,5] рассматривается развитие ВЧразряда для ряда условий, которые приводят к различным результатам, и не всегда достоверно могут быть объяснены. Поэтому кратко остановимся на одном случае, когда амплитуда колебаний электронов мала, а

число столкновений велико. Результаты испытаний для неона представлены на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Потенциалы зажигания емкостного ВЧ-разряда в неоне V1 при f = 158 МГц. Пунктирные линии – напряжения горения установившегося разряда Vm

Кривые зажигания разряда U3 имеют примерно такой же вид, как и в случае

СВЧ-пробоя.	Положение
минимума	U3	также
соответствует	условию	ν =ω

и наблюдается при давлениях

1,0÷10 мм рт.ст.

На этом же рисунке приведены зависимости напряжения горения стационарного

52

Часть I. Глава 3.Пробой газа в различных частотных диапазонах

разряда U з от давления. Видно, что Uг <<U з . Это объясняется тем,

что при горении разряда, несмотря на диффузию электронов в трубке остается достаточная концентрация электронов и поэтому требуется меньше напряжения для поддержания разряда.

В резко неоднородном поле (например, на остриях окончаний радиоантенн) зажигается локальный разряд, называемый факелом [3,11]. Он больше по размерам и гораздо ярче, чем коронный разряд у электрода острия.

Яркость радиочастотного факела можно объяснить тем, что разрядные токи от острия антенн замыкаются через емкости заземленных объектов и поэтому они больше токов коронного разряда на постоянном напряжении. Под действием этих токов происходит разогрев канала разряда. На рис. 3.4 указаны температуры в различных точках факела. Они довольно высокие. Поэтому вероятно в факельном разряде имеет место термоионизация. Нужно отметить, что Епр при ВЧ- и СВЧ-пробое близко к Епр на постоянном напряжении (например, для

воздуха Епр ≈ 3 106 В/м при давлении 1 атм и Епр ≈105 В/м при давлении в несколько мм рт.ст.).

3.3. Оптический пробой

Свет – это электромагнитная волна, характеризующаяся напряженностями электрического Е и магнитного Н поля. Напряженность поля Е пропорциональна энергетической

плотности светового луча Ε =19 S , где S = hωF . Здесь hω – энергия кванта света, F – плотность светового

потока. При Е >109 В/м наступает пробой в газе, названный впоследствии оптическим пробоем. До изобретения лазера такие поля не достигались. С изобретением рубинового лазера, работающего в режиме гигант-

Рис. 3.4. Распределение темпе- ских импульсов излучения, был впер- ратуры в факельном разряде вые обнаружен оптический пробой та-

кого лазера.

53

Часть I. Глава 3.Пробой газа в различных частотных диапазонах

Рис. 3.5. Схема опыта по измерению порогов оптического пробоя:

1 – рубин, 2 – ксеноновые лампы, 3 – поляризатор, 4 – ячейка Керра, 5 – зеркало, 6 – фокусирующая линза, 7 – собирающие электроды, 8 – окно

Мощность обычного рубинового лазера ограничивается спонтанными переходами в возбужденных атомах лазера. Переходы, направленные вдоль оси лазера высвечивают лазер и тем самым ограничивают оптическую мощность. Чтобы ограничить высвечивание лазера, на его оси устанавливают электронно-оптическую ячейку (ячейку Керра). Ячейка Керра заполнялась нитроглицерином и при отсутствии электрического поля не пропускала свет. Лазерной генерации не происходило.

Когда на электроды ячейки Керра подавался импульс напряжения, она «просветлялась» и происходила лазерная генерация. Так были получены импульсы лазерного излучения длительностью 30 нс и пиковой мощностью 30 Мвт, названные гигантскими. Для еще большего увеличения мощности лазера применялась фокусировка лазерного луча фокусирующей линзой 6 (рис. 3.5).

Мощность лазерного луча в этом случае достигала 105 Мвт/см2. Такой луч мог прожигать золотую фольгу, толщиной 0,05 мкм, а, попадая в камеру, где находился газ, и вызывал в нем разряд. В настоящее время созданы твердотельные лазеры мощностью в тысячи Мвт. Интенсивности света таких лазеров хватает не только для получения лазерного разряда в разрядной камере, но и для получения длинной искры в случае длиннофокусной фокусировки. По данным Г. Ретера [6] длина искры от таких лазеров может достигать 60 метров. При этом установлено, что длинная искра не непрерывна, а чередуется наличием пробитых и не пробитых участков, что, по-видимому, связано со статистическим характером появления «затравочных» электронов. В настоящее время разработаны мощные СО2-лазеры, которые нашли широкое применение в технике. В отличие от рубиновых лазеров минимум Епр в зависимости Епр = f (Р) с использованием СО2-лазера на-

54

Часть I. Глава 3.Пробой газа в различных частотных диапазонах

блюдается при давлении около 15 атм, т.е. меньше более чем на порядок.

Для объяснения оптического пробоя выдвигалось несколько механизмов, к основным из которых относятся лавинный и многоквантовый. Лавинный или ионизационный механизм связан с развитием ионизации молекул газа непосредственно излучением и ионизацией электронами, ускоренными в поле световой волны. Под действием сильного электрического поля, создаваемого световой волной происходит наклон энергетических уровней атомов. Появляется более низкий энергетический барьер с конечной шириной, через который просачиваются электроны. Далее эти свободные электроны ускоряются полем электромагнитной волны и, при накоплении достаточной энергии, будут ионизировать атомы и молекулы газа. Вероятность туннелирования

ψ = β exp( − 4	3	2m W	3	2	),
		qhE	и

где β по порядку величины равна частоте электрона в вакууме

βh ≈ W , а напряженность поля E = 4πS	C	=19 S .
u

Многоквантовый механизм заключается в одновременном получении атомом или молекулой нескольких квантов света с последующей ионизацией. Например, в случае рубинового лазера с hω =1.78эВ и аргона, имеющего Wu =15.8 эВ, необходимое число квантов света для

ионизации будет равно n =151.78.8 +1 = 9 . При низких давлениях, когда

столкновения электрона с атомами редки, преимущественно может развиваться многоквантовый механизм. При высоких давлениях, когда число столкновений резко возрастает, как бы имеет преимущество в развитии лавинный механизм. Однако, как в дальнейшем показал Л.В. Келдыш, оба механизма имеют общую природу и являются предельными случаями единого процесса перехода электронов в свободное состояние под действием света. Вероятность того или иного процесса определяется временными характеристиками. Пусть τ – время

пролета электрона через потенциальный барьер шириной					=	Wu	.
						qE
Тогда	τ =	υ , где υ =	Wu	– скорость электрона.	Отсюда
			m
τ =	Wu m	.
	qE

55

Часть I. Глава 3.Пробой газа в различных частотных диапазонах

Если принять, что период T = 2π ω , то для осуществления лавин-

ного механизма необходимо, чтобы за время τ поле Е заметно не изменилось. Это соответствует условию ωτ <<1. В случае ωτ >>1 будет иметь место многоквантовый механизм. Например, в случае рубинового лазера на оптических частотах ω = 2.7 1015 рад/с, Wu =15.8эВ при

E =109 В/м значение ωτ = 20 , т.е. как бы выполняется условие многофотонной ионизации. Однако из этого еще не следует отбрасывать возможность и лавинного механизма, т.к. нельзя исключить вероятность просачивания электронов через потенциальный барьер и последующее их участие в ионизации молекул газа.

56