Ф.Н. Покровский, А.Ю. Прибытков, Б.И. Прокофьев, А.Г. Тынкован - Плазменные панели

аннришщщнщ н носищ виан ащнннни нй ннннщЬннн н 5нннныи приищи рйщы ашщинй Иааф !! !! !!!! ааиианнниаиа !!!! !,! АН08 Глава 1. Плазма и ее свойства В настоящее время признано, что плазма — это наиболее распространенное состояние вещества в природе (рис. 1.1)'.

В качестве гигантской горячей плазмы можно рассматривать Солнце и звезды Внешний слой земной атмосферы является плазменной оболочкой — ионосферой. Радиационные пояса, расположенные вокруг Земли за границами ионосферы, образуют разреженные плазменные образования. В природных условиях на Земле, в научных лабораториях, в технике и производстве плазма встречается при газовых разрядах (поскольку любой газовый разряд (молния, искра, дуга и т.д.) связан с возникновением плазмы) Плазтла считается низкотемпературной (холодной), если ее температ>ра с ав яет порядка десятков тысяч градусов, а при тем ераг,рах свы е миллиона градусов плазму называют горячей Раза» т» е и ед ваний по физике плазмы всегда инициировалось пер ективой разнообразных практических применений плазменных ус ройств и технологий.

Сначала плазма изучалась как свое раз й проводник электрического тока и как источник света В нас оящее время исследования связаны с важнейшими фундаментальными и прикладными техническими проблемами наших дней для которых физика плазмы служит научным фунда»лентогл Важнейшими из этих проблем являются управляемый ядерный синтез и магнитогидродинамическое преобразование тепловой энергии в электрическую.

физика плазмы активно проникает также и в электронику. ' В физике плазмы температуру принято измерять е энергетических единицах (1 зв = 116 10' к). 10 Плазменные панели Ф 1 ~ 10 1 10-1 10-2 10то 10го ! 020 Плотность числа частиц, см-з Рис. 1.1. Классификация талое плазмы по плотности и температуре В последнее десятилетие технические применения плазмы составляют значительную часть промышленной электроники. На закономерностях электрического разряда при пониженном давлении газа в газоразрядных приборах основано действие вакуумного стабилизатора напряжения (стабилитрона), газотрона, тиратрона, ртутного вентиля, игнитрона, газовых счетчиков элементарных частиц и других приборов, находящих широкое применение. Моцо1ые ионные преобразователи переменного тока в постоянный (выпрямители) используются на электрических железных дорогах и различных промышленных предприятиях.

Инверторы (преобразователи постоянного тока в переменный или в постоянный ток другого напряжения) и выпрямители высокого напряжения позволяют осуществлять передачу электрической энергии постоянным током. Важным применением газового разряда является создание источников света — газоразрядных ламп, ламп дневного света, кварцевых ламп и др. Дуговой и искровой разряды составляют основу новых технологических методов обработки металлов.

Поскольку в атмосфере всегда имеется небольшая концентрация ионов и электронов, то возникновению самостоятельного разряда в воздухе между какими-то электродами может спо- Глава 1. Плазма и ее свойства собствовать высокое напряжение статического электричества.

В технических установках этот факт учитывают и принимают специальные меры, исключающие пробой воздуха. в частности, использование в конденсаторах твердых диэлектриков, а в трансформаторах высокого напряжения минеральных масел вместо воздуха и т.д. 1.1. Что такое плазма? Плазма — кеазинейтральная газовая среда, содержащая положительно и отрицательно заряженные частицы.

При давлении всего 10 ~...10 3 Па газ оказывается слабо ионизированным (степень ионизации, т.е. доля заряженных частиц в газе, обычно составляет 10-4). Подцержание концентрации зарядов (электронов, положительных и отрицательных ионов), необходимой для существования плазмы, обеспечивается взаимодействием нейтральных атоглов со свободными электронами, ускоряющимися внешним электрическим полем. При атмосферном давлении и обычных температурах газ практически является изолятором. Это соответствует почти полному отсутствию в нем свободных носителей зарядов.

Для саглостоятельного разряда еще недостаточно возникновения ионизации атомов при столкновении их с электронами (если после начала этого вида ионизации прекратить действие внешнего источника энергии, то разряд прекратится). Самостоятельный разряд наступает лишь после того, как положительные ионы приобретут достаточную энергию, необходимую для того, чтобы при сколкновениях с электродом выбивать из него электроны Эти электроны являются источниками образования новых лавин электронов и ионов, поддерживающих самостоятельный разряд.

В ионных электроеакуумных приборах тлеющего и дугового разряда создают давление газа в пределах 0,13...27 10~ Па (0,001.. 20 мм рт.ст.). При таком давлении возникают благоприятные условия для лавинообразной ионизации атомов при соударении их с электронами.

1 мм рт.ст. (торр) = 1,33 10з Па = 13,0 мм водяного столба. Торр— наименование внесистемной единицы давления. названной в честь итальянского ученого Эванджелиста Торричелли (1608-1б47). )г Плазменные панели Плазму образует ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При столкновениях с тяжелыми ионами электроны передают им лишь незначительную часть своей энергии.

Температура электронов Те достигает нескольких десятков тысяч градусов, в то время как у ионов и нейтральных атомов температура Т; в десятки раз ниже. Такую плазму можно рассматривать как некоторую смесь частиц с разными температурами (ее называют неизотермической). Степенью ионизации газа считают отношение количества ионизированных частиц к их общему числу в единице объема. 1.2. Особенности плазменного состояния вещества Плазма является материальной средой, состоящей из совокупности заряженных частиц, которые взаимодействуют между собой по законам электростатических кулоновских сил. Эти силы, связывая разноименные заряды, обеспечивают квазинейтральность плазмы, т.е. практическую уравновешенность концентраций электронов и ионов.

В общем случае всякое разделение зарядов в некоторой среде, обусловленное смещением группы электронов относительно ионов, приводит к возникновению таких электрических полей, которые стремятся компенсировать созданное разделение. Напряженность полей с увеличением концентрации частиц растет и, в случае плотной плазмы, может достигнуть очень больших уровней. Например, если в какой-то части пространства произошло полное разделение зарядов и внутри этой части оказались заряды только одного знака, то резкое нарушение квазинейтралы<ости будет устраняться возникающими электрическими полями. Возникшее поле будет выталкивать из части пространства, где произошла декомпенсация зарядов, частицы одного знака и втягивать частицы противоположного знака.

Однако если выделить в объеме плазмы достаточно малую ее часть, то в ней квазинейтральность может быть нарушена (наблюдается декомпенсация) из-за того, что электрическое поле, созданное избытком частиц одного знака, оказывается слишком Глава 1. Плазма и ее свойства слабым для того, чтобы заметно повлиять на взаимное расположение заряженных частиц. При разработке теории высококонцентрированных электролитов голландским физиком Петером Дебаем (1884-1966) была введена специфическая мера — длина б м 7,/77п, где Т вЂ” температура проводящей среды, л — концентрация зарядов.

В дальнейшем это понятие стали использовать в физике плазмы. Дебаевская длина (радиус) является физической характеристикой проводящей среды (плазмы), состоящей из положительно и отрицательно заряженных частиц. Если в такую среду попадает некоторая заряженная частица, то она окружается заряженными частицами среды, имеющими преимущественно противоположный заряд, ослабляющими (экранирующими] поле попавшей в данную среду частицы (здесь для электронной и ионной компонент принимают температуру одинаковой). Дебаевский радиус г1 характеризует пространственный размер областей декомпенсации, а интервал времени г существования областей, соответствует отношению г1 к скорости электронов У„.: г1/)~е.

Величина, обратная интервалу времени, имеет размерность частоты и совпадает с собственной частотой электростатических плазменных колебаний, возникающих в плазме при смещении групп электронов от их равновесного положения. Эта частота называется плазменной. Плазму считают квазинейтральной, если ее обьем существенно превышает радиус Дебая. Чем меньше размер области, занимаемой плазмой по отношению к с1, тем более нарушается квазинейтральность.

Как уже отмечалось, из-за различия масс температура электронов Тв плазмы много больше температуры ионов Т,. Внешний источник, создающий условия возникновения плазмы, передает свою энергию именно электронам, поскольку они являются носителями тока. В свою очередь, ионы приобретают тепловую энергию за счет столкновений с подвижными электронами. Полностью отдать свою энергию электрон может, лишь испытав несколько тысяч столкновений. Процесс обмена тепловой энергией сопровождается упомянутыми столкновениями, а также приобретением энергии электронами от внешних источников 14 Плазменные панели питания и потерями плазмой своей энергии за счет различных каналов теплопередачи в окружающую среду.