книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике
.pdfчерез 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
условий, при |
которых электроны лишь колеблются |
не |
|
в фазе с полем, не отбирая у него энергию. |
|
||
Средняя мощность, передаваемая единице объема га |
|||
зовой среды, |
определяется |
формулой |
|
|
5_*#Е1 |
у, |
(О |
|
2т |
ч* + ©а |
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:
|
^=УМ2, |
(2) |
где V — средняя |
статистическая |
скорость электронов, |
N — концентрация |
тяжелых частиц (атомов, молекул, |
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
малым, если давление постоянно. Как видно из уравне ния (1), это означает, что N прямо пропорциональна мощ ности для постоянных объема и давления. Следовательно,
Фи г . 5. Зависимость напряженности |
электрического поля |
||
от концентрации |
электронов для |
СВЧ-разряда в водороде |
|
(р = |
13 мм рт. ст. |
А = |
0,1 см). |
в указанных пределах единственным способом изменения Ев/р является изменение рабочего давления.
Фиг . 6. Зависимость напряженности электрического поля от средней удельной мощности для СВЧ-разряда в_водороде
(р = 13 мм рт. с т А = 0,1 см).
Абсолютное значение величины Е Лтем не менее зави сит от сопротивления нагрузки. Чтобы достичь высоких эначений Йг это сопротивление должно быть тоже высо
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