Наиболее важные применения газового разряда

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА



Содержание

1. Газоразрядные источники света

2. Газоразрядные источники света на парах металлов

3. Газоразрядные индикаторные панели (дисплеи)

4. Газоразрядные лазеры с ПС

5. Приборы плазменной газоразрядной электроники

6. Газовый разряд в ионно-плазменной технологии

Литература



1. Газоразрядные источники света

Существует ряд устройств и технологических процессов, построенных на различного вида электрических разрядах в газах, изучаемых физикой газового разряда и газоразрядной электроникой: это приборы тлеющего и дугового разряда: источники спонтанного излучения (источники света), в том числе люминесцентные, источники когерентного излучения (газоразрядные лазеры), цифровые и переключаемые световые индикаторы, измерительные и индикаторные тиратроны, импульсные коммутаторные тиратроны, в т.ч. тиратроны с полной управляемостью (таситроны), стабилитроны, и др. В микроэлектронику активно внедряется ионная технология, основанная на процессах в катодной области разряда: ионное травление и получение атомарно чистых поверхностей, ионное распыление материалов и получение тонких пленок, газоразрядные методы получения фуллеренов и нанотрубок. Вопросы использования отдельных явлений затрагивались по ходу изложения в предыдущих главах. В данной главе приводятся сведения о других важнейших приложениях газового разряда.

К газоразрядным источникам света (ГИС) относят большую группу газоразрядных приборов (ламп), предназначенных для получения некогерентного оптического излучения с помощью электрического разряда в газах, парах металлов и их смесях. История ГИС берет своё начало с дуговых угольных ламп П.Н.Яблочкова (1876 г.).

По своей физической природе такие источники подразделяются на лампы с непосредственным излучением света из газоразрядной плазмы, люминесцентные лампы, а также лампы, использующие сочетание первых двух типов. Излучение таких ГИС может быть как непрерывным (стационарным во времени), так и импульсным, а его спектр как сплошным, так и линейчатым, при этом путем подбора среды и режима работы можно получить необходимый спектральный состав излучения (цветовую температуру). ГИС существенно превосходят тепловые источники света по светоотдаче и сроку службы, и как следствие - находят все большее распространение.

ГИС всех видов имеют светопроницаемую вакуумно-плотную оболочку, обеспечивающую герметичность при рабочей температуре, а также электроды. В качестве рабочего газа используются инертные газы, а также пары металлов: ртути, натрия, таллия и др. веществ.

ГИС, использующие ПС разряда в инертных газах низкого давления (неск. Тор), излучают линейчатый дискретный спектр, состоящий из узких линий (шириной доли нм), в то время как при высоком и сверхвысоком давлении (до неск. атмосфер) спектральные линии уширяются настолько, что образуют спектр, состоящий из широких полос шириной до сотен нм (эксимерные и эксиплексные молекулы) . Ксеноновые и криптоновые лампы с максимальным излучением в сине-зеленой области спектра, сплошным спектром и оболочками различной формы с импульсным разрядом широко используются в оптике, в качестве источников накачки твердотельных лазеров и др., а со стационарным разрядом, излучающие непрерывно - как осветительные.

В ГИС, использующих в качестве излучающей области отрицательное свечение разряда с полым катодом, удается получать эмиссионный спектр излучения трудноиспаряемых металлов за счет эффекта катодного распыления.

В люминесцентных ГИС используется явление фотолюминесценции в твердых кристаллических веществах, называемых люминофорами и представляющих собой порошки, состоящие из отдельных зерен (размерами от 3 до 20 мкм), наносимые на внутреннюю поверхность стеклянной оболочки лампы, облучаемую возбуждающим излучением газоразрядной плазмы. В результате поглощения этого излучения зернами люминофора, в них возникает люминесцентное излучение, испускаемое наружу. Люминофор должен обладать полосой поглощения, совпадающей по длине волны (частоте) с излучением накачивающего разряда, иметь желаемый спектр излучения (люминесценции), а также быть химически нейтральным и прочно удерживаться на поверхности оболочки ГИС. Наиболее широкое применение нашли люминофоры для преобразования в видимую область УФ-излучения разряда в парах ртути низкого давления (резонансных линий ртути с длинами волн 253,5нм и 184,9нм), и высокого давления (линии 296, 313 и 365нм), а также разряда в инертных газах в газоразрядных индикаторных панелях.

2. Газоразрядные источники света на парах металлов

Остановимся подробнее на наиболее эффективных и распространенных ГИС на парах ртути и натрия, возбуждаемых в газоразрядной плазме ПС. В разделе 5 приведены спектры излучения ртути и натрия при различных давлениях. Данные вещества имеют достаточно высокое давление паров при умеренных температурах, что позволяет использовать их как в лампах низкого давления (единицы и десятки мТор), так и высокого и сверхвысокого давлений (для Hg - до 80 атм, для Na - до 0,3 атм). При этом в «холодной» лампе давление паров столь мало, что не препятствует развитию электронной лавины и зажиганию разряда. Большинство ГИС с парами натрия и ртути питается переменным током частотой от 50Гц (промышленная частота) до неск. десятков кГц (инверторные схемы с преобразованием частоты), т.е. через каждые полпериода функции электродов меняются. При этом балластным элементом служит либо дроссель, либо выходная обмотка силового трансформатора, чем исключаются активные потери в балласте и повышается КПД источника света. Электрод, который в данные полпериода является катодом, работает в дуговом режиме с ТЭЭ. Его нагрев осуществляется за счет энергии самого разряда («саморазогрев») при величине катодного падения в неск. десятков вольт, что также обеспечивает высокий электрический КПД лампы. Преобразование УФ-излучения паров ртути осуществляется за счет фотолюминесценции в люминофоре. Ртутная лампа низкого давления. УФ-излучение паров ртути при низком давлении (253,5нм и 184,9нм) может выходить из ПС через прозрачную стенку лампы (в т.наз. «бактерицидной» ртутной лампе), либо осуществлять накачку слоя люминофора, покрывающего внутреннюю поверхность стенки, с последующим переизлучением в видимой области спектра (большая группа люминесцентных ламп «дневного света», энергосберегающих ламп и др.). Простейшая схема включения лампы в сеть переменного тока промышленной частоты со «стартерным пуском» показана на рис. 1,а. В лампе используются активированные барием вольфрамовые электроды в виде «триспирали». Активная среда лампы в рабочем режиме - плазма ПС разряда в смеси из нескольких Тор аргона и 20 мТор паров ртути. Пары образуются при нагреве металлической ртути, содержащейся внутри лампы, за счет «саморазогрева» лампы протекающим током разряда со средней плотностью в сечении ПС j=10…40мА•см-², напряженность электрического поля ПС составляет E_z=1…1,5 В•см-¹. На рис. 1,б приведена блок-схема питания ламп такого типа током повышенной частоты.

Зажигание самостоятельного дугового разряда в лампе через несамостоятельный дуговой разряд осуществляется с помощью т.наз. стартера тлеющего разряда и реактивных элементов в цепях питания («стартерный пуск», схема на рис. 1,а) и состоит из трех фаз:

а) подготовительной - начинающейся в момент подачи напряжения питания, что приводит к возникновению тлеющего разряда в стартере, разогреву и изгибу биметаллического электрода стартера. Данная фаза заканчивается в момент замыкания электродов стартера;

б) фазы разогрева электродов лампы “экстра” током, протекающим по цепи: балластный дроссель-электроды лампы-замкнутые электроды стартера. В течение этой фазы (продолжающейся неск. секунд) электроды лампы нагреваются, а электроды стартера - остывают, и данная фаза заканчивается в момент размыкания последних;

в) фазы зажигания лампы, начинающейся в момент размыкания электродов стартера при разогретых электродах лампы, когда возникает короткий (длительностью около 1мс) импульс высокого напряжения в последовательном колебательном контуре, образованном конденсатором С и балластным дросселем Др. Это напряжение превышает напряжение зажигания лампы и возникает разряд. Появлению электронной лавины при зажигании лампы способствует то, что смесь аргона с парами Hg является «пеннинговской», в которой заряженные частицы (электрон и ион ртути Hg⁺) образуются при столкновении атома ртути с метастабильным атомом аргона.

По мере горения разряда рабочая температура электродов лампы, необходимая для поддержания ТЭЭ, поддерживается за счет их саморазогрева бомбардировкой ионами газа. Также за счет саморазогрева температура стенок лампы (и металлической ртути) постепенно увеличивается и достигает оптимального значения, что обеспечивает оптимальное давление паров ртути и максимальную интенсивность излучения. В самом деле, кинетика процессов в лампе, приводящих к излучению может быть описана следующими двумя реакциями:

накачка(ударное возбуждение атома ртути): Hg₀ + e (ПС)> Hg^* (6p);

излучение: Hg^*(6p)>Hg₀+фотоны с энергией hн (л=253,5нм, 184,9нм), (1)

где Hg₀-атом ртути в основном энергетическом состоянии с электронной конфигурацией (1s²…5d¹⁰)6s², а Hg^*(6p)-возбужденный атом ртути в состоянии с электронной конфигурацией (1s²…5d¹⁰)6s6p; e(ПС)-электрон, ускоренный в электрическом поле ПС и обладающий энергией, превышающей энергию возбуждения состояния Hg^*(6p).

Запишем выражение для скорости накачки в ПС состояния Hg^*(6p)- F(6p), определяющей концентрацию возбужденных атомов ртути N(Hg^*6p) и интенсивность излучения плазмы ПС на УФ-квантовых переходах 6p-6s с длинами волн 253,5нм и 184,9нм (см., (3.22) и (3.23)):



, (2)

где n_e и N(Hg₀)-концентрация электронов и атомов ртути в основном энергетическом состоянии, k(6s-6p)-константа ударного возбуждения состояния Hg^*(6p) из Hg₀.

Зависимости параметров плазмы ПС ртутной лампы низкого давления от давления паров ртути (температуры стенки лампы) показаны на рис. 2. Видно, что максимум скорости накачки уровня 6p - F(6p), соответствующий максимуму интенсивности излучения на линиях 253,5нм и 184,9нм, соответствует давлению паров ртути около 20мТор и Т?50єС. Начальный рост F(6p) определяется повышением концентрации атомов ртути при «саморазогреве» лампы, а насыщение и последующее снижение F(6p) при T>50єС определяется главным образом снижением константы возбуждения k(6s>6p) за счет снижения электронной температуры T_e в плазме ПС (см. рис. 3.3). Несмотря на то, что, как видно из (2), зависимость скорости накачки от n_e (и от плотности тока j) близка к линейной, оптимальная величина j (и полного тока) разряда определяется оптимальным тепловым режимом лампы, а также её ресурсом и составляет порядка j ~ 50 мА·см-².

Натриевая лампа низкого давления. Такая лампа излучает «жёлтый» дублет натрия с л588,9/589,6нм (см. рис. 3.6). Наполнение - смесь неона с небольшой добавкой аргона (~1%) при давлении около 7Тор и паров натрия - около 3 мТор (при температуре стенки лампы Т?260^оС). Зажиганию разряда в «холодной» лампе способствует пеннинговская ионизация аргона при столкновении с метастабильным атомом неона. Для достижения необходимой рабочей температуры при умеренной вкладываемой мощности прозрачная оболочка лампы выполняется в виде сосуда Дьюара и служит теплоизолятором.

Ртутные лампы высокого и сверхвысокого давления. Конструкция и схема включения лампы с питанием от сети переменного тока показаны на рис. 3. Наполнение ламп при рабочей температуре: смесь аргона (~20-30 Тор) и паров ртути - до 2,6 атм и до 80 атм - в лампах высокого (Т?430^оС) и сверхвысокого давлений (Т?700^оС) соответственно. В оболочке разрядной трубки из поликристаллического кварца (т.наз. «горелке») находятся два электрода основного разряда, активированные барием или торием (ториевый «пленочный» катод), а также два вспомогательных «поджигающих» электрода, причем вблизи данного основного расположен вспомогательный (поджигающий) электрод, электрически соединённый с противоположным основным электродом через балластный резистор. Горелка осветительной лампы помещается в стеклянную защитную оболочку, на внутреннюю поверхность которой наносится слой люминофора. Защитная оболочка служит также и для предохранения от внешних воздействий кварцевой «горелки», находящейся при высокой температуре.

На начальном этапе зажигания при нормальных условиях давление паров ртути невелико (~1мТор), и при подаче напряжения питания происходит зажигание разряда в аргоне с помощью вспомогательного электрода, который в данные полпериода находится вблизи катода (кривая Пашена 2 на рис. 4). В промежутке вспомогательный электрод-катод возникает плазма, что способствует образованию электронной лавины до анода, и приводит к зажиганию разряда между основными электродами. Через каждые полпериода изменения сетевого напряжения происходит «перезажигание» разряда в лампе в противоположном направлении, при этом имеется интервал времени когда разряд отсутствует, и поэтому излучение лампы-«мигающее». По мере горения осуществляется постепенный “саморазогрев” лампы с выходом на рабочий тепловой режим. При достижении рабочего давления паров ртути скорости диффузии заряженных частиц и их разрушение на стенке горелки резко снижаются, поэтому к моменту подачи напряжения противоположной полярности плазма дезактивируется не полностью, и теперь ток меняет направление без фазы погасания лампы (кривая 3 на рис. 4). Важно отметить, что при погасании “горячей” лампы из-за большого давления паров ртути в разряде её повторное зажигание становится невозможным (для кривых Пашена 1 и 2 U_заж>U_с на рис. 4), и необходимо дождаться ее полного остывания (возврата влево по кривой 2 на рис. 4). Как следует, резонансные линии ртути 6p-6s с л253,5нм и 184,9нм при оптимальном давлении паров «заперты» за счет явления пленения резонансного излучения, состояния Hg^*(6p) становятся квазиметастабильными, их заселенность увеличивается и приближается к заселенности основного энергетического состояния ртути. Это способствует ступенчатому ударному возбуждению состояний Hg^*(7s) и Hg^*(6d) с последующим излучением сине-зеленых и «мягких» УФ-линий ртути (т.наз. “линий 2-го каскада” (см. рис. 3.5)). Сине-зеленые линии излучаются непосредственно, а энергия УФ-линий в осветительных лампах используется для накачки люминофорного покрытия на защитной колбе лампы, которое “переизлучает” в средне- и длинноволновой (желто-красной) части видимого спектра, чем приближает полный спектр лампы к естественному (осветительные лампы марок ДРЛ и др.)

Кварцевая оболочка горелки ртутной лампы сверхвысокого давления из соображений максимальной прочности делается сферической, а межэлектродный промежуток малым, в результате эта лампа, называемая «шаровой» (марка ДРШ), может использоваться в качестве точечного источника света для возможного последующего преобразования пучка излучения с помощью сферических оптических элементов (зеркал, линз).

Натриевая лампа высокого давления. Наполнение: смесь ксенона (~20 Тор) и паров натрия (давление ~200 Тор при рабочей температуре около 700єС. В отличие от ртутных ламп оболочка горелки выполняется из поликристаллической окиси алюминия (Al₂O₃), поджигающие электроды отсутствуют, и зажигание лампы осуществляется путем ее предварительного нагрева до невысокой температуры, что обеспечивает пеннинговскую ионизацию атомов натрия (е_i?5,1эВ) при столкновении с метастабильными атомами ксенона (е_m?8,3эВ). Пленения резонансного излучения на жёлтом резонансном дублете натрия 3p-3s (рис. 3.6) при высоком давлении, когда пары натрия образуют молекулы Na₂, не происходит, поскольку данный переход у димера Na₂ “уширяется” до 0,35 мкм. В результате лампой излучается широкая полоса в желто-красной части спектра с центральной частотой около 0,73 мкм (рис. 3.7), при вдвое более высокой по сравнению с ртутной лампой светоотдаче. С целью приближения спектра данной лампы к естественному, в лампу дополнительно вводится малая примесь ртути, и в результате данная лампа успешно применяется для уличного освещения (марка ДНат) .

3. Газоразрядные индикаторные панели (дисплеи)

Излучение возникает в слое люминофора, возбуждаемого УФ-излучением импульсного безэлектродного разряда в ячейках, заполненных смесью инертных газов. Используется три вида люминофора, излучающих в синей, зелёной и красной областях спектра, в результате чего три рядом расположенные ячейки (триада “субпикселей”) образуют трёхцветный “пиксель”.

Основу конструкции плоской плазменной панели составляют два близко расположенных стекла, пространство между которыми разделено на ячейки с помощью резиновых перегородок (сетки) и заполнено разреженной смесью неона и ксенона (рис. 5,а). На гранях стекол в соответствии с рядами ячеек расположены горизонтальные и вертикальные электроды, образующие подобие решетки (X-Y матрица, рис. 5,б). Вертикальные “адресные” электроды, по одному для каждого ряда субпикселей, нанесены на заднее стекло. Горизонтальные “разрядные” электроды (или “электроды отображения”), частично прозрачные, сгруппированы по два в каждом ряду и расположены на переднем стекле. При подаче импульсного напряжения на соответствующие X и Y электроды в данном субпикселе, находящемся на их “пересечении”, возникает “безэлектродный” импульсный разряд, по свойствам близкий к высокочастотному.

Напряжение на разрядных электродах ограничено «снизу» напряжением удержания разряда, а «сверху» - напряжением зажигания, при котором происходит образование плазмы в ячейке при отсутствии поджигающего импульса на адресном электроде. Яркость излучения пикселя регулируется методом широтно-импульсной модуляции, суть которого заключается в изменении соотношения длительности включенного («светится») и выключенного («не светится») состояния субпикселя. (Это дает обычно 2⁸ градаций яркости каждого субпикселя, что позволяет реализовать 16,7·10⁶ градаций цвета пикселя).

4. Газоразрядные лазеры с ПС

газоразрядный свет плазменный ионный

Возбуждение активной среды лазеров в газовом разряде позволяет использовать большое число разнообразных механизмов накачки лазерного квантового перехода, таких как ударное возбуждение активных частиц электронами, возбуждение частиц в неупругих столкновениях 2-го рода с атомами и ионами буферного газа. Это обеспечивает получение инверсной заселенности и генерации на переходах в атомах, ионах и молекулах, причем не только газов, но паров металлов и др. веществ, которые при нормальных условиях находятся в конденсированном состоянии. Излучение газоразрядных лазеров обладает наибольшей монохроматичностью, когерентностью, и достаточной для большого числа применений мощностью. В данном разделе на основе материала, изложенного ранее, для различных механизмов накачки лазерного перехода анализируются причины насыщения мощности лазерного когерентного излучения, откуда вытекают оптимальные параметры газового разряда, используемого для накачки: парциальные давления газов и паров металлов, плотность тока и др.

Большинство активных сред газоразрядных лазеров возбуждаются в ПС разряда. На рис. 6-11 показаны схемы газоразрядных лазеров с самостоятельным разрядом и с различными активными средами. У всех лазеров электроды разрядной трубки конструктивно вынесены за пределы активной зоны оптического резонатора, ось цилиндрического ПС совпадает с осью резонатора, составленного из зеркал с отражающим покрытием. Выходные оптические окна, герметизирующие разрядную трубку, в большинстве случаев ориентируются под углом Брюстера к оси резонатора (и распространяющемуся между зеркалами лазерному лучу), что обеспечивает линейную поляризацию луча и минимальные потери на отражение.

Точный анализ процессов накачки и генерации достаточно сложен, однако для лазеров с непрерывным излучением (при стационарном разряде) качественно правильные результаты могут быть получены в приближении, когда можно пренебречь населенностью нижнего лазерного квантового состояния в расчете на единицу статвеса уровня (n₁/g₁) по сравнению с населенностью верхнего состояния (n₂/g₂), т.е. когда

g₁n₂>> g₂n₁,(3)

что, в частности, справедливо, когда времена релаксации уровней ф₂>>ф₁. В этом случае связь выходной мощности излучения лазера и скорости накачки лазерного перехода дается выражением:

P_вых^max = hн₂₁·F₂·V ,(4)

где hн₂₁-величина кванта излучения, F₂-скорость накачки верхнего лазерного уровня (лазерного перехода), V-объем активной среды. Отсюда можно получить значения оптимальных параметров разряда при различных механизмах накачки лазерного перехода для наиболее эффективных газоразрядных лазеров.

Оптимальные условия разряда для газоразрядных лазеров с накачкой передачей возбуждения.

Гелий-неоновый лазер. Схема лазера показана на рис. 6. В данном лазере используется газовый разряд в смеси гелия (“буферный” газ) с неоном (“рабочий” газ). Накачка лазерного перехода в газоразрядной плазме ПС осуществляется по следующей схеме:

а) создание атома гелия в метастабильном состоянии (He_m) путем ударного возбуждения невозбужденного атома гелия в ПС:

e(ПС) + He₀ > He_m;

б) передача возбуждения от He_m атому неона в основном энергетическом состоянии (Ne₀):

He_m + Ne₀ > He₀+ Ne^* (4s, 5s) ± Де ,

где Ne^*- атом неона в верхнем лазерном состоянии (4s или 5s).

В этом случае выражение для скорости накачки лазерного перехода F₂ будет

F₂ = N(He_m)·N(Ne₀)·K_ПВ ,(5)

где K_ПВ=<Q_ПВ·V> - константа передачи возбуждения (усредненное по скоростям взаимодействующих частиц эффективное сечение передачи возбуждения от метастабильного атома гелия He_m атому неона Ne₀). Поскольку в ПС плотность тока j и полный ток I пропорциональны плотности электронов n_e (см., (3.9)), то для того, чтобы получить зависимость F₂ от тока разряда, необходимо проанализировать, как зависят от концентрации электронов в ПС все входящие в (5) параметры, т.е.

F₂(I) ~ F₂(n_e)= N(He_m)(n_e)·N(Ne₀)·K_ПВ .(6)



Зависимости F₂ф₂, g₂F₁ф₁/g₁, а также коэффициента усиления к₀(n_e)~P_вых(n_e) показаны на рис. 7,а. Максимальной P_вых соответствует I_opt/R=0,1А/см, где R-радиус ПС (внутренний радиус разрядной трубки). Последнее соотношение является соотношением подобия для лазеров с трубками различного радиуса.

Аналогично тому как это было сделано для тока (6), найдем соотношение подобия для оптимального давления гелия: зависимость

F₂(p_He) = N(He_m)(p_He)N(Ne₀)K_ПВ ,(7)

показана на рис. 7,б, откуда для различных R можно получить p_He^optR?0,15Тор•см, и можно найти оптимальное давление гелия для разрядных трубок различного радиуса.

Зависимость F₂ от давления неона можно получить, проанализировав выражение

F₂(p_Ne) = N(He_m)(p_Ne)·N(Ne₀)(p_Ne)·K_ПВ .(8)

Зависимость концентрации метастабильных атомов гелия N(He_m) от p_Ne показана на рис. 7,в. Видно, что оптимальному значению p_Ne^opt соответствует снижение концентрации N(He_m) примерно в 2 раза. Отсюда для различных R можно получить: p_Ne^opt·R?0,03Тор•см, откуда находится оптимальное давление неона. Соотношения подобия для трёх линий генерации He-Ne лазера при оптимальных условиях разряда, а также для ненасыщенного коэффициента усиления к₀ и мощности He-Ne лазера P_вых^max приведены в таблице 1.



Таблица 1

Параметры лазера	Лазерные линии
	632,8 нм	1,15 мкм	3,39 мкм
Ток	Iopt/R=0,1А/см
Давление гелия	pHeoptR = 0,15 Тор•см
Давление неона	pNeoptR = 0,03 Тор•см
Напряженность электрического поля ПС Ez	EzoptR=3,8 В
Ненасыщенный коэффициент усиления лазерного перехода к0	к0maxR =2•10-4	5•10-4	200
Мощность лазерного излучения Pвых	Pвыхmax/LR=1 мВт•см-2 (L-длина ПС)	0,6 мВт•см-2	2 мВт•см-2

Лазер на двуокиси углерода (CO₂-N₂-He-лазер). Рабочим газом, на переходах которого возникает инверсная заселенность является CO₂, азот и гелий - буферная смесь газов. При работе этого лазера для поддержания инверсной заселенности требуется интенсивное охлаждение активных частиц-молекул СО₂ в ПС, чему способствуют введение гелия в смесь газов и наличие рубашки водяного охлаждения, охватывающей область ПС лазерной разрядной трубки (см., рис. 8). Накачка лазерного перехода с л=10,6мкм СО₂ (верхнее колебательное квантовое состояние - CO₂(001)) осуществляется в газоразрядной плазме ПС передачей возбуждения от квазиметастабильных молекул азота N₂^* (колебательное состояние) молекулам двуокиси углерода CO₂ в основном электронном и колебательном состояниях CO₂(000) по схеме, подобной схеме накачки в He-Ne лазере :

е(ПС) + (N₂)₀ > (N₂)^*; (N₂)^* + CO₂(000) > (N₂)₀ + CO₂(001) ± Де.

Скорость этого процесса F₂

F₂ = N(N₂^*)·N(CO₂)·K_ПВ ,(9)



где K_ПВ=<Q_ПВV> - константа передачи возбуждения (усредненная по скоростям взаимодействующих частиц эффективное сечение передачи возбуждения от молекулы N₂^* молекуле CO₂(000)). Для того, чтобы получить зависимость F₂ от тока разряда, необходимо проанализировать, как зависят от n_e все входящие в (9) параметры, т.е.

F₂(n_e) = N(N₂^*)(n_e)·N(CO₂)·K_ПВ .(10)

Соотношение концентраций (давлений) CO₂, N₂ и He можно получить из условия, что добавка в разряд с двуокисью углерода как азота, так и гелия, должна приводить к уменьшению длины свободного пробега, а следовательно, и энергии электронов не более, чем в 2 раза. Отсюда следует, что N(CO₂)•q(CO₂)?N(He)•q(He)?N(N₂)•q(N₂), где q - эффективное сечение столкновений электронов с атомом гелия и молекулами. Поскольку q(He):q(CO₂):q(N₂) ? 1:5:5, то соотношение оптимальных концентраций компонент смеси будет

N(He)^opt:N(N₂)^opt:N(CO₂)^opt = 5:1:1. (11)

Из условия оптимального разрушения молекул азота передачей возбуждения можно получить N(CO₂)·R?10¹⁶см-² или

P(CO₂)^opt·R?0,25Тор•см, (12)

и из n_e?10^-5N(CO₂) можно получить

I^opt/R?0,1 А/см (13)

и

P_вых^max/L ? 0,1 Вт•см .(14)



Оптимальные условия разряда для газоразрядных лазеров с накачкой Пеннинг-процессом. Этот механизм накачки рассмотрим на примере гелий-кадмиевого ионного лазера. Рабочим газом являются пары кадмия, возбуждаемые в смеси с буферным газом (гелием). Инверсная заселенность возникает на переходах с л=441,6нм и 325нм однократно ионизированного кадмия. Роль гелия состоит в накачке рабочего перехода, защите выходных оптических окон разрядной трубки от конденсации на них паров кадмия, обеспечения начального зажигания разряда и протекания в ПС явления катафореза, которое поддерживает однородное продольное (по длине ПС) распределение паров кадмия. Конструкция разрядной трубки (см., рис. 9 ) предусматривает наличие нагреваемого испарителя с кадмием и «конденсатора» паров (холодильника). Конденсации паров кадмия в зоне ПС малого диаметра (капилляре) не происходит благодаря его нагреву током разряда.

Для данного лазера ф₂/ф₁?10² и условие (3) хорошо выполняется в широком диапазоне условий разряда, связь мощности излучения лазера и скорости накачки лазерного перехода дается выражением (4). Накачка лазерного перехода F₂ осуществляется в газоразрядной плазме ПС Пеннинг-процессом при столкновении метастабильного атома гелия с атомом кадмия в основном состоянии по схеме:

е(ПС) + He₀ > He_m; He_m + Cd₀ > He₀+ Cd^+* (4d⁹5s²) + e + Де.

Скорость этого процесса F₂

F₂ = N(He_m)•N(Cd₀) •K_ПП ,(15)

где K_ПП=<Q_ППV> - константа Пеннинг-процесса (усредненное по скоростям взаимодействующих частиц эффективное сечение Пеннинг-процесса). По аналогии с анализом, проведенным выше для гелий-неонового лазера, можно получить оптимальные значения параметров разряда: давлений гелия и паров кадмия, тока, напряженности поля ПС-E_z и др., и соотношения подобия для них, а также для максимальных значений ненасыщенного коэффициента усиления к₀ и мощности лазерного излучения P_вых (Таблица 2).

Таблица 2

Параметры лазера	Лазерные линии
	441,6 нм	325,0 нм
Ток	Iopt/R ? 0,8 А/см
Давление гелия	pHeoptR ? 0,5 Тор•см
Давление кадмия	pCdoptR ? 10-4 Тор•см
Напряженность электрического поля ПС Ez	EzoptR ? 3,5 В
Ненасыщенный коэффициент усиления лазерного перехода к0	к0 max·R ? 10-3	к0 max·R ? 3•10-4
Мощность лазерного излучения Pвых	Pвыхmax /LR = 8,6 мВт•см-2 (L-длина ПС)	3 мВт•см-2

Оптимальные условия разряда для газоразрядных лазеров с накачкой перезарядкой. Этот механизм накачки реализуется в гелий-селеновом ионном лазере. По конструкции данный лазер подобен гелий-кадмиевому лазеру (рис.9), инверсия населенностей создаётся в нём на квантовых переходах однократноионизированного атома селена, принадлежащих сине-зелёной области спектра (0,49…0,53мкм - 6 лазерных линий). Для ионных переходов селена условие (3) g₁n₂>>g₂n₁ также справедливо,

Накачка лазерного перехода F₂ осуществляется в газоразрядной плазме ПС перезарядкой при столкновении иона гелия He⁺ с атомом селена в основном состоянии по схеме:

e(ПС) + He₀ > He⁺; He⁺ + Se₀ > He₀+ Se^+* ± Де .



Скорость этого процесса F₂

F₂ = N(He⁺)•N(Se₀)•K_ПЗ ,(16)

где K_ПЗ=<Q_ПЗV> - константа перезарядки (усредненное по скоростям взаимодействующих частиц эффективное сечение перезарядки). Для того, чтобы получить зависимости F₂ от тока разряда и давлений компонентов смеси, необходимо проанализировать, как зависят от этих параметров все входящие в (16) величины, т.е.

F₂(I) ~ F₂(n_e) = N(He⁺)(n_e)•N(Se₀)•K_ПЗ, (17)

F₂(p_He) = N(He⁺)(p_He)·N(Se₀)·K_ПЗ ,(18)

F₂(p_Se) = N(He⁺)(p_Se)·N(Se₀)(p_Se)·K_ПЗ .(19)

В результате получаем следующие соотношения подобия для оптимальных параметров разряда и максимальных значений выходных параметров:

Таблица 3

Параметры лазера	Лазерные линии 499…530,5нм
Ток	Iopt/R ? 2,5 А/см
Давление гелия	pHeoptR ? 1,5 Тор•см
Давление паров селена	pSeoptR ? 2•10-4 Тор•см
Напряженность электрического поля ПС-Ez	EzoptR ? 4 В
Ненасыщенный коэффициент усиления лазерного перехода к0	к0maxR ? 0,8•10-3
Мощность лазерного излучения Pвых	Pвыхmax/LR ? 8 мВт•см-2 (L-длина ПС)

Оптимальные условия разряда для газоразрядных лазеров с накачкой столкновениями с электронами. В качестве примера рассмотрим аргоновый ионный лазер, излучающий в сине-зелёной части спектра с наиболее интенсивными линиями с л488нм и 514,5нм. Накачка лазерных переходов принадлежащих энергетическому спектру однократно-ионизированного аргона (верхнее лазерное состояние с конфигурацией -Ar^+*(4p)), происходит в газоразрядной плазме ПС двумя процессами: при столкновении быстрых электронов ПС с энергиями е?35эВ с атомом аргона в основном состоянии Ar₀(3p⁶) («прямая» ударная ионизация атома аргона):

e'(ПС) + Ar₀(3p⁶) > Ar^+*(4p),

либо быстрых электронов ПС с энергиями е?18эВ с предварительно созданным ионом аргона в основном состоянии Ar₀⁺(3p⁵) («ступенчатое» ударное возбуждение иона):

e''(ПС) + Ar₀(3p⁶) > Ar₀⁺(3p⁵);e'''(ПС)+ Ar₀⁺ (3p⁵)> Ar^+*(4p) ,

F₂ = n_eN(Ar₀)k_прям + n_eN(Ar₀⁺)k_ступ ~ An_e + Bn_e², (20)

где k_прям и k_ступ - константы возбуждения лазерных переходов аргона «прямым» и «ступенчатым» процессами, которые являются возрастающими функциями электронной температуры. Очевидно, что максимальная скорость накачки будет соответствовать наибольшим значениям электронной температуры в разряде, т.е. минимальным значениям давления (см. рис. 3.1,б). В связи с этим оптимальные условия работы аргонового ионного лазера соответствуют малым концентрациям (давлениям) аргона:

N(Ar₀)^opt·R~10¹⁴см^-2 или P_Ar^opt·R = 0,005…0,01 Тор•см (21)

и максимальным плотностям тока, которые ограничиваются лишь явлением электрофореза газа, а также перегревом и разрушением разрядной трубки:



I^opt/R ? 450 А/см, (22)

при этом

к₀^maxR = 5•10-³ иP_вых^max(Вт) = р·L(см) ,(23)

где L-длина ПС.

Импульсные газоразрядные лазеры низкого и среднего давления. Импульсный режим газового разряда в некоторых случаях оказывается полезнее стационарного. Он позволяет снизить среднюю тепловую нагрузку на разрядную трубку лазера при высокой вкладываемой в разряд импульсной мощности. Кроме того, на некоторых квантовых переходах инверсия в стационарном разряде невозможна, однако она может быть создана в импульсном режиме в интервалы времени, когда возникают так называемые «ионизационная» и «рекомбинационная» неравновесность плазмы.

В период ионизационной неравновесности, а именно - в начальные моменты протекания разрядного тока, как принято говорить - на «переднем фронте» импульса тока, инверсия возникает у группы лазеров, работающих на переходах с резонансного (верхнего) на метастабильный (нижний) квантовые уровни. В качестве примера на рис. 10 показана схема лазера на смеси паров меди с буферным газом. Пары меди (давление до 1Тор) создаются за счет “саморазогрева” протекающим импульсным током разрядного канала трубки с навесками меди. Импульсы тока через трубку формируются путем разряда накопительного конденсатора (заряжаемого от выпрямителя) через управляемый коммутаторный газоразрядный прибор (тиратрон или таситрон, см., ниже). Инверсия населенностей и генерация на переходах в атоме меди с л510 нм и 578 нм (зелёная и жёлтая линии) реализуется в течении первых нескольких десятков наносекунд после начала протекания тока (передний фронт нарастания импульса тока). Далее инверсия отсутствует и ток прекращается. Лазер работает в т.наз. «импульсно-периодическом» режиме при частоте повторения импульсов до 10² кГц.

Наличие буферного газа обеспечивает начальное зажигание разряда и дальнейший саморазогрев разрядной трубки, препятствует появлению плёнки меди на внутренних поверхностях окон трубки, а также для данного лазера ускоряет релаксацию атомов меди из нижнего лазерного квантового состояния в основное энергетическое состояние атома.

Лазеры с созданием инверсии в период «рекомбинационной» неравновесности плазмы, в интервал времени сразу после окончания импульса тока (в «послесвечении» разряда), называют также «рекомбинационными» или «плазменными». Примером такого лазера, схема которого показана на рис. 11, является гелий-стронциевый импульсный лазер. Гелий в этом лазере выполняет все функции буферного газа в лазерах на парах металла. Инверсия создается на квантовых переходах однократно-ионизированного стронция с л416нм и 430,5нм в фиолетовой части спектра. Накачка лазерного перехода осуществляется в «послесвечении» разряда путем трёхчастичной ударно-излучательной рекомбинации двукратно-ионизированного стронция Sr⁺⁺ с участием остывающих электронов плазмы ПС. Инверсия при этом создаётся за счет «сверхупругих» столкновений ионов стронция в нижнем лазерном состоянии с этими же остывающими электронами. Двукратно-ионизированные атомы стронция Sr⁺⁺ с высокой концентрацией создаются во время протекания импульса тока главным образом путем «прямой» и «ступенчатой» ударной ионизации атомов стронция.

Импульсные газоразрядные лазеры с несамостоятельным разрядом высокого давления (электроионизационные лазеры).

Проблема повышения мощности импульсного газоразрядного лазера может быть решена путём повышения концентрации активных частиц, т.е. давления газа. Это приводит к пропорциональному повышению напряжения зажигания (см., (2.7) и кривую Пашена на рис. 2.1), поэтому в электроионизационных лазерах используется ПС разряда, в котором вектор электрического поля-E_z направлен перпендикулярно оптической оси резонатора (разряд «поперечного» типа). После приложения напряжения к электродам-U, меньшего, чем напряжение зажигания-U_заж, т.е. U<U_заж, условия для возникновения электронной лавины не создаются и разряд не возникает. Зажигание разряда происходит в момент включения источника дополнительной ионизации: либо облучения межэлектродного промежутка импульсом УФ-излучения через прозрачную стенку разрядной кюветы, либо введения в межэлектродный промежуток лазера через тонкую металлическую фольгу пучка быстрых электронов.

5. Приборы плазменной газоразрядной электроники

Действие всех приборов этой группы основано на явлении газового разряда различных типов (дугового, тлеющего, искрового, коронного). К таким приборам относятся выпрямительные, коммутаторные и индикаторные ионные приборы тлеющего и дугового разряда: газотроны, разрядники, тиратроны, таситроны, стабилитроны и др.

Выпрямительные газоразрядные приборы в настоящее время в значительной степени вытеснены соответствующими полупроводниковыми приборами, и мы не будем на них останавливаться.

Достоинства газоразрядных коммутаторов по сравнению с электровакуумными определяются тем, что в газоразрядной плазме имеются положительные ионы, и они компенсируют объемный заряд электронов. Поэтому концентрация электронов, которая определяет проводимость прибора, может быть сделана гораздо большей, чем в электровакуумных лампах, что приводит к значительно большим значениям коммутируемого тока и большему к.п.д.

В разрядниках с высоким давлением наполняющего газа начальный искровой разряд переходит в сильноточный дуговой. Двухэлектродные разрядники применяются в устройствах защиты от перенапряжений и в качестве коммутаторов высокого напряжения, трёхэлектродные разрядники с управляющим (поджигающим) электродом используются также в качестве коммутаторов наряду с тиратронами и таситронами.

Тиратрон-обладающий вентильными свойствами и работающий в ключевом режиме газоразрядный прибор с сеточным управлением момента возникновения тлеющего (холодный катод с ИЭЭ) самостоятельного разряда или дугового (подогревной катод с ТЭЭ) несамостоятельного разряда. В качестве коммутаторов коротких импульсов (1нс…неск. мкс), больших напряжений (до 10⁵ В) и токов (до 10 кА) наиболее часто используются импульсные водородные тиратроны с катодом, работающим в дуговом режиме. Промежуток анод-катод включается всегда в прямом направлении. Помимо величины коммутируемого тока, важной характеристикой тиратрона является максимальное значение напряжения на промежутке анод-катод U_А-К при отсутствии управляющего напряжения на сетке и анодного тока. С целью повышения U_А-К в тиратронах используется область давлений наполняющего газа не превышающих 1Тор (левая ветвь кривой Пашена), а в качестве такого газа - водород, ионы которого из-за малой массы минимально разрушают катод вследствие катодного распыления. Зажигание разряда происходит при подаче напряжения U_А-К, а затем импульса положительного напряжения на сетку. В результате в промежутке сетка-катод возникает плазма, которая проникая за счет диффузии в промежуток сетка-анод, инициирует электронную лавину и зажигание разряда по всему промежутку катод-анод. После зажигания разряда, в отличие от вакуумного триода, сетка теряет управляющие свойства, так как её потенциал “проникает” в плазму разряда промежутка анод-катод лишь на глубину, не превышающую величину дебаевского радиуса экранирования r_д. Поэтому ток в промежутке анод-катод прекращается только после снятия напряжения U_А-К (например, после полного разряда конденсатора). На рис. 10 и 11 приведены электронные схемы формирования импульсов тока большой величины при высоком напряжении в газоразрядных лазерах, где используется разряд накопительной емкости на нагрузку, а качестве коммутатора (ключа) применяется импульсный водородный тиратрон с дуговым разрядом. В таситроне в отличие от тиратрона сетка делается с мелкими, размером меньше величины дебаевского радиуса r_д, ячейками, что позволяет управлять величиной анодного тока, в том числе и обрывать импульс тока даже при наличии анодного напряжения.

В “индикаторных” тиратронах тлеющего разряда (“холодный” катод, стеклянный баллон, наполнение-инертный газ) в момент подачи управляющего импульса на сетку, возникают анодный ток и свечение плазмы, и такие тиратроны используются в качестве элементов матричных индикаторов экранов (табло) коллективного пользования.

Наряду со стабилитронами тлеющего разряда для многократно более высокого напряжения применяются стабилитроны коронного разряда, с водородным наполнением при давлении порядка атмосферного.

6. Газовый разряд в ионно-плазменной технологии

При бомбардировке поверхности твердого тела (мишени) отдельными атомами или ионами с кинетической энергией, превышающей энергию связи атомов в решетке, атомы мишени перемешаются в новые положения, образуя поверхностные повреждения решетки, что может привести к выбиванию атомов из мишени, то есть - к переводу их в газовую фазу. Обычно бомбардировка осуществляется ионами, т.к. с помощью электрических полей ионы можно ускорять до достаточных энергий, и такое явление называется ионным распылением.

Непосредственно перед столкновением с поверхностью ион нейтрализуется электроном, выбитым из мишени за счет поля, создаваемого самим ионом (автоэлектронная эмиссия электрона). Оказалось, что пороговая энергия для распыления слабо зависит от масс налетающего иона и атома мишени, и это говорит о том, что в столкновениях принимают участие, как правило, несколько атомов решетки. Типичная пороговая энергия иона для ионного распыления составляет несколько десятков эВ. Скорость распыления мишени, кроме энергии ионов, зависит от электронной структуры атомов газа и мишени, ориентации кристаллической решетки, энергии связи атомов в ней и ряда других факторов.

На практике наиболее часто применяется бомбардировка поверхности твердого вещества ионами в следующих технологических процессах, цепочка которых составляет ионно-плазменную эпитаксиальную технологию:

- ионное плазменное травление-очистка поверхности подложки за счет катодного распыления бомбардировкой ионами газа, при этом подложка является катодом в разряде постоянного тока или одним из электродов в высокочастотном разряде (ВЧ-плазменное травление) (см., схему на рис. 12,а.) В результате получают атомарно чистую поверхность подложки-катода за счет того, что из поверхностного слоя катода выбиваются как атомы металла, так и атомы примесей (т.е. происходит удаление поверхностного слоя и содержащихся в нем примесей);

- катодное (ионное или ионно-плазменное) распыление мишени с последующим нанесением «распыленных» атомов мишени на подложку (см., рис. 12,б.). Используются как разряд постоянного тока в газе (мишень либо является катодом, либо находится в плазме под отрицательным потенциалом), так и высокочастотный разряд, при этом мишень является одним из электродов (ВЧ-плазменное распыление);

- катодное осаждение: подложка является катодом, созданные при испарении (возгонке) из испарителя атомы вещества ионизируются в плазме газового разряда, ускоряются в электрическом поле катодной области и бомбардируют поверхность подложки-катода, проникая в её поверхностный слой (см., рис. 12,в.).

Ионное плазменное распыление мишени может быть реализовано двумя способами: ускорение ионов происходит в катодной области аномального тлеющего разряда в газе, при этом мишень, либо является катодом, либо неся отрицательный потенциал, помещается в плазму, созданную вспомогательным разрядом, и вытягивает на себя ионы газа. Несмотря на то, что ионное распыление уступает в скорости образования пленки на подложке вакуумному испарению, оно успешно используется для распыления тугоплавких металлов, допускает распыление «холодной» мишени, не изменяя при этом ее структуру, позволяет использовать как мишени большой площади, что обеспечивает однородность толщины пленки на подложке, так и мишени-катоды нужной формы. Например, для нанесения пленки на внутреннюю поверхность трубы можно использовать коаксиально расположенную внутри этой трубы мишень-стержень, если же нужно нанести пленку на стержень, можно вокруг него разместить трубчатый катод.

Аналогично при катодном осаждении подложка либо является катодом, либо неся отрицательный потенциал, помещается в плазму, созданную вспомогательным разрядом, и вытягивает на себя ионы испаренного вещества.

Травление поверхности и распыление диэлектрических материалов обычно производится с помощью высокочастотного поля, поскольку в ВЧ-разряде вблизи электродов так же, как и в КТП тлеющего разряда, возникает постоянное по направлению электрическое поле, ускоряющее ионы.

Если разрядная камера будет заполнена химически активным по отношению к частицам мишени газом, то распыленные частицы мишени перед осаждением на подложку вступают с ним в реакцию, и такое распыление (осаждение) называют реактивным.



Рис. 1. а-схема включения ртутной лампы низкого давления, питаемой от сети переменного тока промышленной частоты со «стартерным пуском». 1-лампа, 2- стартер тлеющего разряда с биметаллическим электродом, Др-балластный дроссель, С-пусковой конденсатор; б - блок-схема питания лампы с преобразованием частоты.

Рис. 2. Зависимости параметров плазмы ПС ртутной лампы низкого давления от давления паров ртути



Рис. 3. Схема включения ртутной лампы высокого давления в сеть переменного тока промышленной частоты. 1-“горелка”лампы, 2-основные электроды, 3-вспомогательные (поджигающие) электроды, 4-вводы электродов в кварц “через металлическую фольгу”, Др-балластный дроссель; R- балластные резисторы в цепи вспомогательных (поджигающих) электродов. Стеклянная оболочка не показана.

Рис. 4. Кривые Пашена для зажигания разряда в ртутной лампе высокого давления: 1-в “холодной” лампе между основными электродами, 2- в “холодной” лампе между основным и вспомогательным электродами, 3-в «горячей» лампе при неполной дезактивации плазмы, U_C-напряжение сети, приложенное к лампе.



Рис. 5 Газоразрядная плазменная панель с импульсным «безэлектродным» разрядом: а-устройство ячейки, б-схема электродов и адресации ячейки (субпикселя).

Рис. 6. Конструкция He-Ne лазера. 1 - капилляр (область ПС), 2 - анод («+» источника питания), 3 - катод («-» источника питания), 4 - выходное окно трубки, 5 - зеркала открытого оптического резонатора, 6 - стеклянная оболочка трубки. Источник питания не показан.



Рис. 7. Зависимости скорости накачки лазерных уровней и мощности излучения на линии л632,8 нм Ne в ПС разряда в смеси гелия и неона (активной среде гелий-неонового газоразрядного лазера) от тока (а) и давлений компонентов смеси (б,в).

Рис. 8. Схема лазера на двуокиси углерода (смесь СO₂-N₂-He) с водяным охлаждением и возбуждением в ПС продольного разряда. 1 - разрядный канал с ПС, 2 и 3 - электроды, 2-катод, 3-анод, 4 - рубашка водяного охлаждения, 5 - стеклянная оболочка трубки, 6 - зеркала открытого оптического резонатора. Источник питания не показан.



Рис. 9. Схема ионного лазера на парах металла (Cd, Se) с продольным разрядом и введением паров металла с помощью катафореза. 1 - анод («+» источника питания), 2 - катод («-» источника питания), 3 - капилляр (область ПС), 4 - выходное окно трубки, 5 - испаритель, 6 - холодильник, 7 - зеркала открытого оптического резонатора. После переключения полярности напряжения, приложенного от источника питания (на схеме не показан), функции электродов (анода и катода), а также испарителя и холодильника изменяются на противоположные.