книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике

через температуру в виде соотношения

4 -я *= 4 .и \

где т — масса частицы, V — среднеквадратичная ско­ рость, к — постоянная Больцмана и Т — температура, В неравновесной системе можно измерить различные тем­ пературы, соответствующие средним энергиям. Колесни-

Ф и г, 1, Зависимости электронной температуры и температуры газа от концентрации электронов для дуги при давлении 1 атм.

ков [71 описывает спектроскопические методы измерения электронной температуры Те и температуры газа Тг для дуговой плазмы при давлении 1 атм. Его результаты для аргона и гелия показаны на фиг. 1. Можно прийти к выводу, что даже при 1 атм дуга не будет находиться в тепловом равновесии до тех пор, пока ей не будет пере­ дана мощность, достаточная для повышения концентра­ ции электронов выше 101С см~3. При меньших давлениях электронная температура может быть во много раз боль­ ше температуры газа, как показано в работе [9] (фиг. 2).

Для того чтобы получать свободные радикалы при низких температурах в плазме, нужно питать энергией одни лишь электроны, не увеличивая сильно среднюю

энергию вступающих в реакцию молекул газа. Такая не­ равновесная плазма с высокой электронной температурой и относительно низкой температурой газа известна под названием «холодная плазма».

Результаты подробного изучения влияния давления и напряженности электрического поля на соотношение

Фиг . 2. Зависимости температуры электронов и температу­ ры газа от давления для постоянного тока ртутной дуги.

Те/Т Г представлены на фиг. 3 [10]. Из этих кривых вид­ но, что для получения неравновесной плазмы необходимо работать с высокими значениями Е !р, где Е — напря­ женность электрического поля, а р — давление.

Под действием постоянного электрического поля элек­ трон в плазме ускоряется до тех пор, пока не столкнется с молекулой газа. Далее скорость движения электрона приобретает случайное направление. Большая часть ки­ нетической энергии, получаемой электронами в период ускорения, сохраняется в процессе их рассеяния, так как масса молекулы велика по сравнению с массой элек­ трона. После столкновения электрон ускоряется или тор­ мозится полем в зависимости от направления скорости электрона по отношению к полю. Кинетическая энергия электрона накапливается за счет «удачных» столкновений до тех пор, пока не станут возможны неупругие столкно­ вения, результатом которых является ионизация, обра­

зование свободных радикалов или возбуждение. Эти не­ упругие столкновения имеют место при определенных частотной характеристике газовой системы и физических условиях эксперимента.'

Фи г . 3. Соотношение между Те/Т г и Е/р для различных газов.

Если на электроны действует возбуждающее электри­ ческое поле, частота которого мала по сравнению с ча­ стотой неупругих столкновений, то движение электронов в основном такое же, как и в постоянном поле. Движение, вызванное полем, нарушается из-за столкновений, число которых за один период колебаний возбуждающего поля достаточно велико. При увеличении частоты поля или

при уменьшении давления частота столкновений оказы­ вается недостаточной для поддержания дрейфового тока электронов в фазе с полем. Инерция электронов вызывает появление несинфазной составляющей тока. Передача энергии электрического поля электронам в этом случае становится менее эффективной. При уменьшении давле­ ния или при увеличении частоты можно достичь таких

где Е 0 — максимальная напряженность поля, т — масса электрона, п — концентрация электронов, V,, — частота упругих столкновений и со — частота приложенного поля.

Для достижения эффективного энергообмена необхо­ димо, как видно из уравнения (1), чтобы частота прило­ женного поля никогда не превышала частоту упругих столкновений. Частота упругих столкновений выражает­ ся следующим образом:

ионов, радикалов) и (%— сечение упругого столкновения, которое является функцией средней энергии электронов. Величина N прямо пропорциональна давлению р и об­ ратно пропорциональна температуре газа Тг. Таким об­ разом, V, обычно находится в пределах 109—1011 столкно­ вений в 1 сек. Этими частотами, лежащими в области СВЧ, и определяется верхний предел эффективного ис­ пользования электрической энергии.

С другой стороны, если частота приложенного поля настолько низка, что электроны пересекают камеру реак­ тора прежде, чем электрическое поле изменит направле­ ние, то энергия электронов выделяется в виде тепла на стенках реактора. Частота приложенного поля должна быть достаточно высокой для того, чтобы воспрепятст­

вовать чрезмерной подвижности электронов, т. е. чтобы в потерях энергии на стенках играли роль только процес­ сы диффузии. В то же время частота поля не должна пре­ вышать частоту упругих столкновений. Для многих экспе­ риментов в плазменной химии эти условия выполняются при использовании диапазона СВЧ.

Механизм передачи энергии в стационарном СВЧразряде излагается в работе [11]: «Электроны приобре­ тают энергию от приложенного поля, а теряют ее в ре­ зультате упругих и неупругих столкновений. Ионизация молекул газа приводит к появлению новых электронов, а поток последних к стенкам реактора при наличии гра­ диентов плотности и потенциала пространственного за­ ряда обеспечивает их оседание на стенках».

Рассмотрим теперь выбор оптимальных электрических параметров СВЧ-разряда. В работе [5] показано, что, кроме частоты, основным параметром является напря­ женность электрического поля. В работе [10] исследова­ лось движение медленных электронов в газах и показано, что для атома каждого газа существует единственное со­ отношение между величинами Те/Т г и Е/р (фиг. 3). По­ этому ясно, что большое значение приобретает возмож­ ность достижения весьма высоких напряженностей поля. Зависимость пробивной напряженности электрического поля в СВЧ-разряде от давления описана в работе [12]. Роуз и Броун [11] обобщили эту работу на случай ста­ ционарных СВЧ-разрядов при различных концентрациях электронов. Результаты исследований этих авторов, пред­ ставленные графически на фиг. 4 для водорода, осно­ ваны на решении уравнения Больцмана. Величина Е е определяется в виде

Е= Е п ^ + о>2

аЛ (на фиг. 4) называется длиной диффузии и является мерой расстояния, которое «средний» электрон будет проходить в объеме, прежде чем он породит одну новую заряженную частицу. Для определенных разрядного реак­ тора и потока газа Л является постоянной, и таким обра­ зом можно нанести изобары, как показано на фиг. 4.

По точке пересечения этих изобар с линией М0Л2 = О можно определить пробивные значения полей. Если кон­ центрация электронов увеличивается при постоянном

давлении из-за некоторого увеличения подводимой мощ­ ности, то напряженность электрического поля падает. Однако такой процесс не является монотонным до беско­ нечности. При концентрации выше ^ 1 0 9 с л г3, как было показано в работе [131, напряженность электрического поля становится постоянной (фиг. 5).

Используя уравнение (1), вместо графика фиг. 5 можно построить более удобный график фиг. 6, представ­ ляющий соотношение между напряженностью электри­ ческого поля и средней удельной мощностью для постоян­ ного давления в реакторе. Из фиг. 6 видно, что Ее будет зависеть от мощности только при очень малых плотно­ стях мощности. Поскольку обычные рабочие плотности мощности лежат в пределах от 20 до 50 вт/см3, то измене­ ние напряженности поля при изменении мощности будет

ким. Так как характеристическое сопротивление исполь­ зуемых волноводов обычно мало, неизбежны значитель­ ные потери при преобразовании энергии. Это заставляет использовать какой-либо из типов резонатора. В работе [14] для получения напряженности поля в разряде по­ рядка 300 в/см были применены высокодобротные резона­ торы. Простая резонансная система, состоящая из секции сужающегося волновода, с успехом использовалась для ограниченного диапазона давлений [15]. Дальнейшие усовершенствования позволили применить резонаторы, эффективно работавшие на частоте 2450 Мгц в весьма широком диапазоне давлений [16].

IV. Экспериментальная установка

Устройство, использованное в работе, проводимой в Массачузетском технологическом институте, схематиче­ ски показано на фиг. 7. Описание этого устройства удобно разбить на две части: электрическую и химиче­ скую. Электрическая часть состоит из последовательно соединенных жестких элементов СВЧ-тракта. Источник мощности представляет собой магнетрон, способный пе­ редавать до 1,2 кет в согласованную нагрузку на фикси­ рованной частоте 2450 Мгц. Вентиль, содержащий охлаж­ даемый водой феррит, предохраняет магнетрон от повреж­ дения, которое может быть вызвано отраженной мощ­ ностью. Каждая волноводная секция выполнена на базе стандартного прямоугольного волновода типа КО 104/11, характеристики передачи которого на частоте 2450 Мгц оптимальны. Ножевой ослабитель содержит охлаждаемую водой пластину, которая опускается сквозь щель в вол­ новод с помощью микрометрического приспособления. При этом СВЧ-мощность, передаваемая газовому разря­ ду, уменьшается до нескольких ватт. Для определения картины стоячих волн и отношения падающей мощности к отраженной используется измерительная линия. На­ правленный ответвитель на 40 дб ослабляет мощность, поступающую в измерительный волновод, до уровня, допустимого для детектирования ее термистором, который калибруется для отсчета абсолютной падающей мощности при условии согласования. При работе на рассогласо-

Фиг . 7. Экспериментальная установка.

ванную нагрузку отсчет по такому измерителю мощности дает неверный результат, однако его можно использовать для определения всей падающей мощности. Для этого не­ обходимо знать к. с. в. н. (отношение максимального напряжения в стоячей волне к минимальному), определяе­ мый с помощью измерительной линии [17]. Перед сужаю­ щимся волноводом в качестве части резонатора был раз­ мещен двухшлейфовый трасформатор. Он используется для компенсации реактивной части сопротивления на­ грузки, и при благоприятных условиях к. с. в. н. можно уменьшить до 1,2. В секции сужающегося волновода вели­ чина напряженности электрического поля в пять раз боль­ ше, чем в обычном волноводе.

Трубчатый реактор проходит сквозь секцию сужа­ ющегося волновода в максимуме напряженности поля на расстоянии */4 длины волны от конца волновода. Реактор выполнен в виде холодильника Либиха, состоя­ щего из внутренней кварцевой трубки и наружной оболоч­ ки из стекла пирекс. Масло, обладающее низкими ди­ электрическими потерями, циркулирует внутри этой обо­ лочки, отводя тепло от реактора. В свою очередь масло охлаждается в другом холодильнике водой и затем воз­ вращается к реактору по замкнутой системе. Газы, участ­ вующие в реакции, находятся при давлении около 1 атм. Их можно пропускать через калиброванные ротаметры к регулируемым вакуумным кранам с микрометрической подачей, ведущим в главный вакуумный трубопровод. Для измерения абсолютного давления в реакторе имеется точный измеритель. С помощью регулируемых кранов, расположенных с обеих сторон объема, в котором проис­ ходит реакция, можно получать желаемое давление и ско­ рость протекания реагирующих веществ. Образцы про­ дуктов реакции собираются в виде конденсатов, охлаждае­ мых в ловушке с жидким воздухом. Отведение их осу­ ществляется через двухпатрубную систему, которая снаб­ жена электромагнитными клапанами для фиксации вре­ мени подачи газов. Твердые образцы затем подвергались анализу с помощью обычных мокрых методов или с по­ мощью газовой хроматографии. Применялись также не­ которые виды качественного анализа с использованием масс-спектрометра, имеющего относительно низкую раз­