Experiments have shown that an overcritical density plasma is typically identified in some specific regions in conventional microwave (MW) discharges. The present work theoretically investigates this problem in a new and thorough way. By solving the wave equation, we treat the dynamic behaviour of the MW fields propagating through a gas slab. In this case, the gas is ionized and the density of the produced plasma grows consequently with time. Generalizing the results to a semi-infinite space case, we obtain the wave reflection index of the produced plasma. Comparison with the steady state case shows that the derived unsteady reflection index approaches its steady state value only at a very slow growth of the plasma density. This difference with the steady state values also leads to the deflection of the cut-off frequency from its usual value. At the critical plasma density, ncr, the reflection index of the unsteady produced plasma is estimated to be much less than unity, which results in much more penetration of the wave and also ionization of the gas. We show that the density of the overcritical plasma, produced in this way, may reach approximately 15ncr.
実験により、従来のマイクロ波放電において、特定の領域で過臨界プラズマ密度が典型的に確認されることが示されている。本研究では、この問題を新たな方法で理論的に詳細に検討する。波動方程式を解くことにより、気体スラブを伝播するマイクロ波場の動的挙動を扱う。この場合、気体は電離され、生成されるプラズマの密度は時間とともに増加する。結果を半無限空間の場合に一般化し、生成されたプラズマの反射指数を求める。定常状態の場合との比較により、導出された非定常反射指数は、プラズマ密度の増加が非常に遅い場合にのみ定常値に近づくことが示される。この定常値との差異は、遮断周波数の通常値からのずれにもつながる。臨界プラズマ密度ncrにおいて、非定常プラズマの反射指数は1よりもはるかに小さいと推定され、その結果、波の透過および気体の電離がはるかに促進される。このようにして生成された過臨界プラズマの密度は、約15ncrに達し得ることを示す。