Наименьшая масса иона у водорода, но и она в 1840 раз больше m. В результате при тех же условиях смещение иона водорода будет равно всего лишь 10 или 10 мм. Отсюда важное следствие: на СВЧ можно пренебречь движением ионов под действием СВЧ сигнала и рассматривать только движение электронов.

Основные параметры плазмы: N — концентрация заряженных частиц в единице объема; e — относительная диэлектрическая проницаемость плазмы на СВЧ, которая определяется без учета соударений электронов с ионами и нейтральными молекулами только значениями N и w по формуле

e = 1 - Ne / (wme0) = 1 - wп / w,

где wп = — плазменная круговая частота, а e0 = 0,886*10 A*c/(В*м) — диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Из формулы видно, что плазма является диэлектриком, у которого e<1, но могут быть и случаи, когда e становится отрицательной величиной или равняется нулю (при w=wп) или, переходя к плазменной частоте fп в герцах и подставляя численные значения e, m и e0, можно получить fп=wп/2p=8980 Гц, т.е. однозначно определяется концентрацией заряженных частиц в единице объема N. Из этого выражения видно, что при концентрации заряженных частиц в единице объема от 10 до 10 1/см плазменные частоты будут соответствовать СВЧ диапазону.

Физически представить плазменную частоту можно следующим образом. Предположим, что в квазинейтральной плазме мы отклонили один из электронов от положения равновесия и отпустили. Кулоновские силы, притягивающие электроны к ионам, будут возвращать его к положению равновесия (ионы из-за большой массы неподвижны!). Набрав определенную скорость, электрон проскочит положение равновесия (конечно, с затуханием). Эта частота качаний электронов около положения равновесия и равна fп.

Активную проводимость плазмы s, а значит, и затухание СВЧ колебаний в ней определяет параметр v, который частотой соударений — это количество соударений заряженных частиц с нейтральными в единицу времени. Максимальное значение s получается при w=v, а v тем больше, чем больше давление газа p.

Важным для практического применения плазмы параметром является ее температура T, которая характеризуется некоторой средней скоростью движения свободных электронов к ней. Температура плазмы при СВЧ разряде обычно 6000 — 7000K. С другой стороны, и электропроводимость плазмы s, и ее диэлектрическая проницаемость e являются функциями температуры T.

Принцип устройства СВЧ плазмотронов заключается в передаче СВЧ энергии веществу, находящемуся в газообразном состоянии, с целью перевода его в плазму. Обычно газ подается под определенным давлением (может быть выше, ниже или равным атмосферному) по диэлектрической, чаще всего кварцевой или керамической трубке, которая должна быть помещена в область максимальной напряженности электрического поля СВЧ колебаний. В стационарном состоянии выход тепла из плазмы полностью компенсируется поступлением в плазму СВЧ энергии, т.е. плазма является активной нагрузкой для генератора СВЧ.

При расчете плазмотронов основные параметры плазмы, такие, как s, e, T, длина волны СВЧ сигнала l, считаются постоянными, поэтому плазму рассматривают как диэлектрик с потерями и задача расчета заключается в оптимизации передачи СВЧ энергии в этот диэлектрик при одновременном снижении отраженной энергии.

Одним из наиболее простых по конструкции является плазмотрон волноводного типа, схематически изображенный на рис. 7. Разрядная диэлектрическая трубка пропущена через середины широких стенок прямоугольного волновода и перпендикулярно им. Вне волновода разрядная трубка окружена экранирующими металлическими трубками, являющимися запредельными волноводами для СВЧ сигнала, возбуждающего плазму.

Рис. 7. Схема устройства плазмотрона волноводного типа:

1 — прямоугольный волновод (b — размер узкой стенки); 2 — экранирующие запредельные трубки; 3 — разрядная диэлектрическая трубка; 4 — плазменный шнур; 5 — согласованная нагрузка.

Плазма имеет вид шнура или цилиндра с диаметром dпл, на 2 — 3 см меньшим внутреннего диаметра разрядной трубки D, и длиной, лишь немного превышающей размер узкой стенки прямоугольного волновода b. Плазменный шнур ограничен по длине в тех точках запредельных экранных трубок, где СВЧ мощность уже недостаточна для поддержания разряда, т.е. горения плазмы.

Одним концом плазмотрон волноводного типа присоединен к СВЧ генератору, а другим — к согласованной нагрузке или к замкнутому на конце отрезку прямоугольного волновода (короткозамыкателю). Одна часть СВЧ энергии поглощается в плазме, а оставшаяся доля частично проходит за разряд и частично отражается от него.

Для компенсации отраженной волны между генератором и разрядной трубкой включают различные подстраивающие элементы, что эквивалентно подключению разрядной области через трансформатор связи. Плазмотроны с трансформаторами связи принято называть плазмотронами резонаторного типа.

Более однородные по радиусу характеристики плазмы имеют место в плазмотроне на основе радиальной линии, представляющей собой два параллельно расположенных диска, в центре которых перпендикулярно дискам проходит разрядная трубка. В такой радиальной линии должна быть возбуждена радиальная ТЕМ волна, сходящаяся равномерно со всех сторон к плазменному шнуру, находящемуся на оси системы.

Примеры плазмотронов волноводного типа. Изображенный на рис. 7 плазмотрон представляет собой волноводно-коаксиальный переход, причем внутренним проводником коаксиальной линии служит плазменный шнур, а внешним — экранирующие металлические трубки. В данном плазмотроне необходимо учитывать активные потери в плазменном шнуре.