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Die Bedeutung einer kathodennahen Sonde fr die Anfachung von UHF-Plasmaschwingungen durch schnelle Primrelektronen.

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H.BEHLHEu. 8.: Sonde fur die Anfachung von UHF-Plasmaschwingungen
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Die Bdeuh~ngeiner Lathodennohen Sonde
f i r die Anfachung ron UHF-Plarmarchwingungendurch
rchnelle Primarelektronen
Von H. BEHLKE,H. DROST,G. SCHULZ
und H. PUPKE
Mit 1 Abbildung
Inheltsabersieht
Die Measung der UHF-Intensititen vor der Kathode. im kathodenfernen Plasma und
mit einem Dip01 a u b r h a l b des Entladun erohrea zeigt in BbhBngigkeit von der Stellung
der kathodennahen Sonde das gleiche d F - P r o f i l . Befand eich die kathodemahe Sonde
auaerhalb dea Schwingungsbereichs oder auBerhalb dea Pn’mHretrahle, dam konnten an
keiner Sblle mehr Plasmaschwingungen nacbgewiesen aerden. Ale Folge dieser h b a c h t u n g
wird die Notwendigkeit einer kathodennehen in den Prirnivstrahl tanchenden Elektrode
odor Anode fiir die Anregung von Plasmeschwingungen hervorgehoben. Dea UHF-Profil
vor der Kathode charakterkicrt dadurch nicht das Pleamagebiet, wo Schwingungen vorhanden eind. eondern lediglich das Gebiet, wo Schwingungen angeregt werden kbnnen.
Zur Deutung dea Effektea mird auf den von DEMXRCEANOW
und Mitarbeiter entwiolielten
Sekundiirelektronen-MechanismusBezug genommen. Ein Zueammenhang zwischen der
Anregung von UHF-Pleameschwingungen und der anomalen Streuung der Primitrelektronen
ergrbt aich insofern, ala bei beiden Prozessen eine kothodennahe Elektrode bzw. Sonde eine
maficebliche h l l e epielt.
- --
Den Ausgangspunkt fur die vorliegenden Untersuchungen bildete die Tatsache, daB die im Plasma durch EinschuB eines Primirelektronenstrahls angeregten Schwingungen offenbar nur in e i n e m eng begrenztenBereich vor der Kathode, dem UHF-Profil, auftreten
’ . 51. Dem stehen jedoch die Beobachtungen von DEMIRCHANOW
und Mitarb. [6] sowie KOJIMA
und Mitarb. [7, 81 entgegen, die mit einer Antenne auch auaerhalb des Plasmas UHF-Intensitaten
registrierten, die sich gegeniiber einer Anderung der Anregungsbedingungen
genau so verhielten, wie die direkt mit einer kathodennahen Sonde abgegriffenen
Schwingungen.
Es erschien somit interessant, im Rahmen der durchgefuhrten Schwingungsuntersuchnngen [ 9 . . 111 auch der Frage nach der Ursache des 6rtlich begrenzten UHF-Profils zusatzliche Aufmerksamkeit zu widmen.
Die Anregung der UHF-Schwingungen erfolgte wie in den friiheren Arbeiten
durch EinschuB eines Primarelektronenstrahls in ein Hg-Niederdruckplasma,
ihr Nachweis mit einer relativ empfindlichen Anordnung, bestehend aus koaxialer MeBleitung und einem UHF-MeBempfiinger als selektiven Indikatorkreis. Apparatur und MeBmethode wurden bereits in [ 11ausfuhrlich beschrieben.
Zuslitzlich zu der im M-Kathodenraum stationierten Zylindersonde S, wurde
eine weitere Zylinderaonde S , ins Plasma eingefiihrt, die im Abstand von
[ l a
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Annalen der Phgeik
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7. Folge
Band 19, Heft 1/2 * 1967
1 0 . . . 3 0 cm von der MI-Kathode liings der Rohrachse bewegt werden konnte,
sowie ein Dipol in einer Entfernung 50 cm von der Entladung aufgestellt. Wahlweise konnten die beiden Sonden S , nud S, bzw.der Dip1 an die MeDleitung oder
direkt an den Empfhger gekoppelt werden.
Die Untersuchungen erfolgten zuniichst unter solchen Entladungsbedingungen, bei denen maximale UHF-Inteneitiiten anftraten (p 8 1 0 4 Tom und
I,
1 . .~2 A). Dabei befand sich die Sonde 5, in einem Abstand von der M Kathode, wo die U a m - F r e q u e n z bei einem bestimmten Bogemtrom ihre
maximale Amplitude hatte. Nacheinander wurde dann die UHF-MeBeinrichtung an die beiden Sonden bzw. an den Dipol gekoppelt. Es zeigte sich, daB die
durch den Primiirstrahl angeregten Schwingungen nicht nur dann nachweisbar
waren, wenn der Empfiinger an die Sonde S, gekoppelt war, sondern auch nachdem er an 8,oder am Dipol angeschlossen wurde, wobei allerdinga die Amplitude
dieser Schwingungen in der Reihenfolge S,, S2 und Dipol nach kleineren Werten hin abnahm. Wurden die Anregungsbedingungen geiindert, so lie0 sich am
01%der Sonde S, bzw. am Ort des Dipols eine qualitativ gleiche b d e r u n g der
Schwingungsintensitiit featstellen wie am Ort der kathodennahen Sonde S,.
Befand sich jedoch die Sonde S, an einem Ort aul3erhalb des sogenannten UHFProfils (vgl. [l]) oder wurde sie aus dem Primiirelektronenstrahl herausgedreht,
dann komten an keinem der 3 MeBorte, d. h. mit S,, S2 und dem Dipol, mehr
UHF-Schwingungen nachgewieeen werden, selbst dam nicht, als man den
UHF-Empfiinger direkt an die beiden Sonden bzw. den Dipol koppelte. Da der
Empfiinger mit 30 pV eine hohe Empfindlichkeit beeal3, kann gefolgert werden,
daD unter den genannten Bedingungen tatsiichlich keine UHF-Schwingungen
angeregt wurden. Das Ergebnis der Untersuchungen ist fiir den Fall der intensitiitestiirksten Schwingung, der LaNaarnIR-fiequenz, in Abb. 1 wiedergegeben; sie zeigt den Verlauf der Schwingungsamplitude bei Variation des
Abstandee M-Kathode-Sonde S,. Kurve 1 entspricht dabei dem Schwingungsverlauf vor der Y-Kathode, d. h. dem sogenannten UHF-Profil ;die Kurven 2
und 3 zeigen den Intensitiitaverlauf an den Orten der Sonde S , und des Dipols.
Bemerkenswert an diesem Ergebnis ist, daB sich an allen 3 Stellen der gleiche
Intensitiitwerlauf ergibt, obwohl nnr der Abstand der Sonde S, - M-Kathode
geiindert wurde.
Zusammenfassend kann also festgestellt werden :
1. Fiir die Schwinpgsanfachung scheint neben dem Primiirstrahl auch die
Existenz einer in den Strahl tauchenden Elektrode - hier die kathodennahe
Sonde S, - eine notwendige Vorauseetzung zu sein.
2. Die durch den Prhiirstrahl angeregten UHF-Schwingungen sind keineswe* nur auf daa UHF-Prom vor der Kathode begrenzt.
3. Der als UHF-Profil bezeichnete Schwingungabereichvor der Kathode [13
markiert nicht im Sinne einer Cfleichzeitigkeit den Plasmabereich, wo Schwinp g e n iiberhaupt nachgewieeen werden kennen, sondern er charakterisiert das
Gebiet, innerhalb deesen durch die Kombination Primiiretrahl -Sonde UHFSchwingungen a n g e r e g t werden k6nnen. Die bei einem bestimmten Abstand
der Sonde Sl - M-Kathode gemessene Amplitude stellt somit lediglich ein MaB
fiir die an dieser Stelle angeregte maximale Schwingungsintensitiit dar.
Damit diirfte einer kathodennahen Sonde bzw. allgemein einer kathodennahen Elektrode im Zusammenhang mit der Anregung von UHF-Plasmasohwingungen eine maBgebliche Rolle zukommen.
-
N
-
H. BEHLKE
u. 8.: Sonde Mr die Anfachung von UHF-Plasmeschwingungen
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Eine mcigliche Bedeutung einer kathodennahen Sonde fur die Schwingungsanregung wurde anch von anderen Autoren vermutet ;ihr wmde ein stimulierender [12] bzw. in Verbindung mit der betonten Existenz einer Schwingungsschicht ein stabilisierender EinfluB zuerkannt [4, 1 3 . . .20]. Hinweise auf eine
direkte Mitwirknng der Sonde bzw. einer kathodennahen Elektrode bei der
Anregung der UHF-Schwingungen ergeben sich aus dem von WERNEB[21] und
DEYIRCHANOW
[6, 221 postulierten Sekundirelektronen-Mechanismus. Dieser
Mechanismus wire daher auch geeignet, als Basis fur die Deutung der hier mitgeteilten Beobachtungen zu dienen. Ihr qualitativer Charakter IiiBt jedoch
detaillierte Diskussionen uber den Wirkungsmechanismm wenig fruchtbar erscheinen. Demgegenuber erlauben die Ergebnisse einige interessante SchluSfolgerungen. Das betrifft einmal die Rage der Schwingungsanregung in Abwesenheit einer Sonde. GerniiD dem Kurvenverlauf in Abb. 1muaten bis zu einer
Sondenentfernung von der Kathode von -20 mm noch UHF-Schwingungen
angeregt werden kcinnen. Legt man der Schwingungsanregung einen Sekundiirelektronen-Mechanismus zugrunde, dann darf erwartet werden, daB dieser bei
Vorhandensein hinreichend schneller Sekundirelektronen auch an einer
Anodenoberfliche auftritt, falls sich diese nahe genug (gem60 Abb. 1 bis zu
.4bb. 1. An verschiedenen Orten gemeaaenm UHFSohwingungsprofil (= Sohwingungainteneit in Abhirngigkeit vom Kethodenabetand einer Sonde), e) vor
der Kathode, b) mit einer zweiten 10 cm von der Kathode entfernten Sonde, c) mit eincm Dip1 euDerhelb der Entladungerbhre.
= 2 A. ip, = 40 mA,
!?''==
a16 "C, Up, = 26 V, f 1200 MHz
-
B O m m ) an der Kathode befindet. Damit ergabe sich eine Erkliirung fur die
Schwingungsanregung in einer Reihe von Arbeiten [2, 7, 23, 241, in denen mit
sehr geringen Kathoden-Anoden-Abstiindengearbeitet wnrde. I m gleichen Sinne
und Mitkcinnte auch die Schwingungaanregung, wie sie durch KHARCHENHO
arb. [251 an einer elektrodenlosen HF-Entladung beobachtat wurde, gedeutet
werden, wenn man die hohe Primhtrahlgeschwindigkeit von 80 kV und die
Elektroden an der Plaamagrenze (des Resonators) berucksichtigt. Es ist aber
nicht ausgeschlossen, dal3 hierbei die Rohrwandung ebenfalls an der Schwingungsentstehung beteiligt ist. Dime Annchhme ergibt sich z. B. aus der Arbeit
von KOJIMAund Mitarb. [8], die eine ,,Verstiirkung der Schwingungsintensitit"
auch mit sondeniihnlichen Elektroden aus nicht leitendem Material feststellen
konnten.
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Band 19, Heft 1/2
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Die vorliegenden Beobachtungen lassen auch die Frage nach einem m8glichen
Zusammenhang von Schwingungsanregung und der Primiirelektronenstreuung
im Plasma unter einem neuen Aapekt erscheinen. Das betrifft z. B. die Einschiitzung der Untersuchungen uber den EinfluB der UHF-Schwingungen auf
die Einstelliinge der Primirrelektronen, die keinen Anhaltspunkt fur einen
wechselseitigen Zusammenhang beider Gr6Ben lieferten [111. Diese SchluDfolgerung ist jetzt insofern in Frage zu stellen, als bei der Beatimmung der Einstellliinge nicht gleichzeitig eine Sonde im Kathodenraum stationiert war, somit auf
Grund der vorliegenden Ergebnisse keine UHF-Schwingungen angef acht werden
konnten. Unter Beachtung dieaer Tataache wurden daher die Einstelllngen
erneut beatimmt. Dabei befand sich die Sonde "9, stets in einer solchen Entfernung von der Kathode, daB die Anregung einer maximalen Amplitude der LANGnmm-Frequenz gewiihrleistet war. Allerdings konnte auch jetzt kein EinfluB der
Schwingungen auf die Einstellange beobachtet werden.
Hinsichtlich der Ursache der anomalen Streuung der Primiirelektronen in
Kathodennlhe [101 liefern die vorliegenden Untereuchungsergebnisse zwar keine
neuen Informationen, jedoch im Zusammenhang mit der Beobachtung, daB mit
verschieden roBen MeBsonden trotz konstanter Entladungsbedingungen unterschiedliche bergeschwindigkeiten der F'rimiirelektronen feetgestellt wurden
[26], scheint auch fur die anomale Streuung die Art einer kathodennahen Sonde
bedeutungavoll zu sein. Insofern jedoch sowohl die UHF-Schwingungaanregung
als auch die anomale Streuung der Primarelektronen beide direkt oder indirekt
mit einer kathodennahen Elektrode verknupft sind, ware ein Zusammenhang
beider Phiinomene gegeben. Welche Mechanismen im Detail dabei stattfinden
bzw. iri welcher Weise das angrenzende Plasma diese Mechanismen determiniert,
lirBt sich auf Gmnd der hier durchgefuhrten Untersuchungen nicht entscheiden.
8
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Bei der Redaktion eingegangen am 28. April 1966.
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