Ф.Н. Покровский, А.Ю. Прибытков, Б.И. Прокофьев, А.Г. Тынкован - Плазменные панели (1128532), страница 2
Текст из файла (страница 2)
1.3. Условия возникновения и существования газовой плазмы Плазма образуется при ионизации газа под действием электрического поля определенной напряженности и зависит от нескольких факторов. Газовый разряд, возникающий между проводящими электродами, зависит от материала и формы электродов, создающих граничную конфигурацию электрического поля. Электроды являются как бы «истоком» и «стоком» заряженных частиц. Если повышать прикладываемое к электродам напряжение и давление газа в камере, то в разрядном промежутке происходит самопроизвольный переход объемной формы разряда в канальную, когда весь ток течет через один или несколько тонких высокопроводящих газовых каналов. При этом проявляются различного рода неустойчивости, внутренне присущие неравновесной плазме разряда, образование локальных неоднородностей, обусловленных конкретными условиями возникновения разряда: формой электродов, давлением газа в промежутке, неоднородностью внешней ионизации и т.д.
Внешнее электрическое поле может быть постоянным (тогда возникает разряд постоянного тока) и переменным (в зависимости от частоты тока возникает разряд высокочастотный, СВЧ или оптический). Электрическое поле промышленной частоты 50 Гц используется в лампах дневного света и в световой рекламе. Расчеты, выполненные в (5), показали, что на этапе формирования фронта разрядного тока в плазме возникает существенное влияние дрейфовых потерь электронов вследствие их ухода на анодный электрод.
При снижении потенциала анода напряженность электрического поля около него уменьшается, что вызывает рост времени формирования фронта тока, причем скорость убыли электронов из-за дрейфа на анод может сравняться со скоростью их генерации при ионизации. Образование волны ионизации (рис. 1.2) достигается формированием в разрядной цепи короткого импульса тока проводимости, который инициирует разряд в разрядном промежутке. Длительность импульса возбуждающего тока, в целях снижения 15 Глава 1. Плазма и ее свойства Рис. 1.2.
Схематическое изображение плоской волны ионизации с толщиной фронта Ьк, распространяющейся в газе (С) ао внешнем электрическом поле напряженностью Е~ со скоростью Рм [1). Т,ь Ьк — профиль температуры и характерный масштаб электронного возбуждения молекул газа; Тсп Ет — температура свободных электроноа и напряженность электрического поля а плазме (Р); 1, 2 — области газа перед фронтом плазмы и за фронтом волны ионизации (5) его влияния, задается величиной, на порядок меньшей характерной длительности формирования фронта тока разряда. В системах отображения информации на основе плазменных панелей плазма возникает как высокочастотный емкостной разряд в некоторой ячейке (камере) с диэлектрическими стенками между ппоскопараллельными электродами, которые расположены с внутренней стороны стенок.
Именно поэтому разряд между плоскими электродами называют емкостным. Переменный ток протекает между электродами даже в отсутствие разряда как через обычный конденсатор. В настоящее время чаще всего емкостной разряд используют, во-первых, для создания активной среды (накачки) высокоэффективных, малогабаритных с02-лазеров (при давлении газа 10...100 торр) и для травления нанесения тонких пленок, выращивания кристаллов интегральных микросхем (ионно-плазменное напыление при давлении газа 1О З...! торр). В большинстве случаев носителями тока при любом виде электрического разряда являются свободные электроны. Лишь в условиях малой концентрации электронов носителями тока преимущественно становятся тяжелые ионы. Пусть некоторый объем газовой среды находится под влиянием переменного электрического поля, например, ЕЯ = Есэ(п шй а носители тока (электроны) совершают колебания и, сталкиваясь с атомами, рассеиваются (резко изменяют направление своего движения).
При достаточно высокой частоте 16 Плазменные панели ш емкостный разряд ионизирует газ довольно слабо (степень ионизации составляет всего 10 т...10 в) и число столкновений ъ небольшое (при числе столкновений электронов с атомами в единицу времени ч ~ ш можно считать, что колебания происходят не в газовой среде, а в вакууме).
В этом случае считают, что скорость 1/ перемещения электрона с зарядом е и массой лъе в уравнении его движения птаха~ = еЕ будет модулирована электрическим полем. Внешнее электрическое поле заставляет электрон направленно двигаться, т.е. приобретать кинетическую энергию, расходуемую при столкновениях. Его скорость резко и произвольно изменяется, и вектор скорости электрона может достигнуть нулевых значений (электрон останавливается). После этого под действием поля электрон как бы заново начинает ускоряться. Движение его становится хаотическим.
Энергию хаотического движения электронов часто характеризуют величиной электронной температуры Те. Для поддержания стационарного состояния слабо ионизированной плазмы требуется выполнение условия У т Е/р, где р — давление газовой среды. Оно выполнимо при достаточно высокой температуре Те. Степень удовлетворения условия У = Е/р определяется эффективностью процесса электронной генерации-рекомбинации. Электроны рекомбинируют с атомами и диффундируют в материал стенок камеры. Величины Те и Е/р приобретают вполне устойчивые значения. Так, например, в газовой смеси, применяемой для СОз-лазера, Е/р = 6...8 В/см.торр; Те = 1 эВ = = 11600 К; скорость перемещения электронов У = 4 10в см/с; амплитуда колебаний А = 5 10 ~ см при частоте внешнего поля 13 МГц.
Предположим, что к пластинам элекгродов газовой камеры, находящимся на расстоянии 0 и имеющим площадь 5, приложено синусоидальное напряжение О(г) = Уоапш1. Электроды камеры и газовая среда образуют конденсатор, у которого газ имеет диэлектрическую проницаемость к. Приложенное напряжение вызывает протекание переменного тока 1(Г) = С-~~ = шСЦ>созшг, где емкость плоского конденсатора С = еЯ/Е). До тех пор пока амплитуда напряжения невелика, пробоя газа нет. При повышении напряжения до определенного уровня в газе происходит пробой и образуется емкостный разряд. Глава 1. Плазма и ее свойства В плазме возникает свое электрическое поле и колебательное движение электронов.
Электроны, генерированные вблизи поверхности электродов, ударяются о них и уходят в металлическое вещество. Если пластины имеют диэлектрическое покрытие, то электроны прилипают к этому покрытию. По названной причине границы колеблющейся плазмы лишь слегка касаются твердых поверхностей — приэлектродные слои практически не проводят ток (в этих областях ионизация отсутствует).
В то же время все ионы газа остаются почти неподвижными. Такая ситуации приводит к появлению некомпенсированного положительного заряда (электронейтральная плазма приобрела по отношению к электродам постоянный положительный потенциал У). Вылетающие из плазмы ионы бомбардируют стенки камеры. Если на них нанести слой некоторого диэлектрического вещества, то ионы отдадут свою энергию этому материалу. Условия существования плазмы характеризуются следующими значениями: концентрация электронов и ионов составляет приблизительно 101о см-з; толщина приэлектродных слоев порядка 0,1...1 см; расстояние между электродами 1...10 см; () = 100 В; плотность тока примерно 5...10 мЯ/см~. Для того чтобы повысить интенсивность взаимодействия электронов со стенками камеры, но чтобы газ не нагревался (т.е.
тепловые потери были бы минимальны), плазма должна быть резко неравновесной: электронная температура должна быть много больше ионной: Те » Т1. Условием существования стационарной низкотемпературной плазмы является равенство интенсивностей процессов генерации и рекомбинации заряженных частиц. Ятомы газа испытывают одновременно вращательное и колебательное движения— возникает их электронно-возбужденное состояние. Такое состояние может сопровождаться излучением и диссоциацией, Образовавшиеся частицы могут реагировать как между собой, так и с материалами, находящимися в объеме плазменной камеры.
Если пересчитать среднюю энергию электронов в тепловые единицы, то типовые значения Те будут соответствовать диапазону 30 10з...100. 10з К, а Т; и 0,3 10з К. Температурная неравновесность холодной плазмы позволяет повысить реакционную 18 Плазменные панели способность заряженных частиц с контактирующим веществом 1в плазменной панели отображения информации таким веществом является цветной люминофор). Такие параметры низкотемпературной плазмы, как концентрация электронов, напряженность поля плазмы, функция распределения электронов по скоростям, используют для расчета интенсивности излучения плазмы в зависимости от вида и давления газа, обьема и формы камеры и электродов.
Низкотемпературная газоразрядная плазма порождает электромагнитные волны, спектр которых определяется рекомбинацией ионов и электронов и состоит из широких полос в диапазоне волн 200...400 нм, расположенном на переходе от высокочастотной области видимого света к низкочастотной области ультрафиолетового 1УФ) излучения. 1.4. Применение плазмы В настоящее время низкотемпературная плазма достаточно широко применяется в научных исследованиях и в производственных процессах обработки материалов. В электронике она используется при изготовлении печатных плат и интегральных микросхем.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
