Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электродинамика высокочастотных разрядов емкостного типа. Учебное пособие
.pdf
Как видно из рисунков 5.7, а–г, наиболее сильно изменяются вдоль
E
91
оси канала разряда вторая и четвёртая гармонические составляющие электромагнитного поля. Характер изменения амплитуд гармоник вдоль оси
разряда близок к волнообразному. При этом с изменением частоты горения разряда максимум амплитуды перемещается по осевой координате.
Заметим, что четвёртая гармоника при частоте 39,6 МГц затухает при распростране
37,4 МГц её амплитуда, наоборот, увеличивается в 4–4,5 раза. Столь сильное изменение поведения четвёртой гармонической составляющей электромагнитного поля при незначительном изменении частоты позволяет
предположить наличие резонанса между собственными колебаниями
плазмы и колебаниями внешнего электромагнитного по
С другой
щих поля вдоль оси разряда позволяет предположить существование
стоячей волны, возникающей при наложении «прямой» волны и волны,
отражённой в конце канала разряда. Поэтому подобное изменение амплитуды четвёртой гармоники может быть также следствием суперпозиции электромагнитных волн.
Величина затухания электромагнитной волны при её распространении вдоль кан
вдоль канала разряда в 4 раза. В то же время при частоте
нии
ля.
стороны, характер изменения гармонических составляю-
ла разряда определяется [121] её волновым числом:
а
21
где a – радиус канала разряда; j – мнимая единица; ω – угловая частота
электромагнитного поля; σ – удельная электропроводность плазмы разряда.
Из формулы (5.3) следует, что затухание электромагнитного поля
вдоль оси разряда тем больше, чем больше угловая частота электромагнитного поля и чем меньше радиус канала разряда и его электропроводность.
Распределение электромагнитного поля вдоль оси разряда может
быть рассчитано на основе модели кан
электрической линии конечной длины:
где L – длина канала разряда; z – осевая координата.
Расчёты, выполненные по формуле (5.4), показывают, что стоячая
волна возникает лишь в случае, когда затухание электромагнитного поля вдоль оси разряда незначительно. Подобная величина затухания недостаточна для поддержания процесса горения разряда.
hj
52
1
a
ла разряда в виде однородной
а
EchhL z
0rr
, (5.3)
, (5.4)
Кроме того, даже при наличии стоячей волны переход от выражен-
92
ного роста к выраженному затуханию электромагнитного поля возможен
лишь в случае изменения величины волнового числа в несколько раз. Из
формулы (5.3) следует, что в нашем случае при изменении частоты на
5…7 % столь сильного изменения волнового числа нельзя ожидать. Максимальное изменение величины волнового числа, с учё
ом изменения
т
электропроводности плазмы разряда, не превышает 10…15 %.
Таким образом, полученные нами экспериментальные результаты
не могут быть объяснены лишь на основе предположения об отражении
электромагнитной волны в конце канала разряда.
Проведём оценку собственных частот аргоновой плазмы факельного разряда в соответствии с формулами (5.1) и (5.2). Для полученной
выше концентрации электронов электронная плазменная частот
находиться в пределах ν
стота в диапазоне ν
~ (450…1000)·106 Гц. Следовательно, частота чет-
i
~ (1,3…2,8)·10
e
11
Гц, а ионная плазменная ча-
а буде
т
вёртой гармоники ν ~ 150 МГц будет меньше как электронной, так и
ионной плазменных частот. Таким образом, для четвёртой гармоники
электромагнитного поля факельного разряда, горящего в аргоне, выполняется условие параметрического резонанса, которое для неограниченной плазмы имеет следующий вид: ν ≤ ν
.
e
5.3. Особенности затухания частотных составляющих электромагнитного
поля в плазме высокочастотного емкостного разряда
В главе 2 было показано, что электромагнитное поле высокочастотного емкостного разряда идентично электромагнитному полю высокочастотного факельного разряда, за исключением зоны, непосредственно
примыкающей к высокочастотному электроду, где происходит формирование поверхностной электромагнитной волны. Поэтому представляет
интерес рассмотреть поведение частотных составляющих электромагнитного поля емкостного разряда по аналогии с факельным разрядом.
Нами были проведе
ы измерения осевого распределения гармониче-
н
ских составляющих электромагнитного поля высокочастотного емкостного разряда при различных частотах его горения. Измерения проводились
для случая высокочастотного емкостного разряда, горящего в воздухе и
аргоне при атмосферном давлении. Также был рассмотрен вопрос о влиянии на характер затухания частотных составляющих температуры электронов и, соответственно, концентрации электрон
ов плазмы разря
да.
Высокочастотный емкостный разряд возбуждался в кварцевой
трубке с внутренним диаметром 28 и длиной 500 мм. Для возбуждения
разряда использовался один кольцевой электрод диаметром 70 мм, на
который подавался высокочастотный потенциал. Второй – заземлённый
93
электрод – не использовался. Схема экспериментальной установки
представлена на рис. 5.8.
При горении разряда в среде аргона расход плазмообразующего газа
составлял 0,4 м
3
/ч. При горении в воздухе – 0,5 м3/ч. Мощность разряда
ориентировочно находилась в пределах от 0,5 до 1,0 кВт. Длина канала
разряда при горении в воздухе составляла 20…25 см. При горении в аргоне разряд заполнял всю кварцевую трубку. Частота горения разряда варьировалась от 34,8 до 40,2 МГц. При изменении частоты горения мощность разряда менялась не более чем на 10…15 %. Измерения радиальной
компоненты электрического поля проводились посредством емкостного
зонда, сигнал с которого по линии с двойной экранировкой подавался на
вход спектроанализатора GSP-827. Емкостный зонд представлял собой
медный штырь длиной 5 и диаметром 1 мм. Расстояние от оси разряда составляло 60 мм. Проводились измерения первых пяти гармоник электрического поля. Гармоники более высокого порядка имели амплитуду менее
10 дБмВ, поэ
ому в нашем случае они не рассматривались.
т
3
6
4
5
7
1
2
к спектроанализатору
≈
Рис. 5.8. Схема экспериментальной установки: 1 – высокочастотный
генератор; 2 – высоковольтный электрод; 3 – разрядная плазма;
4 – разрядная камера; 5 – емкостной зонд; 6 – линзы; 7 – спектрограф
При горении разряда в среде аргона проводилась также оценка
электронной температуры плазмы разряда. Измерение электронной
температуры, так же как и в случае факельного разряда, проводилось
двумя способами.
Первый способ – по частотной зависимости интенсивности континуума атомов аргона в диапазоне длин волн от 3300 до 4000 Å.
Второй используемый нами способ – это измерения электронной
температуры по отн
осительной интенсивности линий меди. Для этого в
нижнюю часть разрядной трубки вводились пары меди. Использовались
линии: 5106, 5153 и 5218 Å. Типичный спектр линий меди в воздушно-
94
аргоновой плазме разряда приведён на рис. 5.9.
Рис. 5.9. Спектр воздушно-аргоновой плазмы высокочастотного
емкостного разряда в диапазоне длин волн от 4900 до 5400 Å (линии меди)
Рис. 5.10. Полоса гидроксила высокочастотного емкостного разряда,
горящего в аргоне с добавлением 10 % воздуха (25 мм выше высоковольтного
электрода)
Для расчёта концентрации электронов необходимо также знать газовую температуру разряда. При добавлении в аргоновую плазму разряда воздуха в спектре разряда появляется полоса гидроксила. Газовая
температура может быть определена по относительной интенсивности
вращательных линий полосы 3064 Å гидроксила. Использовались линии
колебательной ветви Q
других линий – Q
4, Q16, Q19, Q110. Типичный спектр полосы гидрок-
1
. Выбирались линии, свободные от наложения
1
сила 3064 Å для воздушно-аргоновой плазмы разряда представлен на
рис. 5.10.
Результаты измерений осевого распределения первых пяти гармо-
95
ник электрического поля высокочастотного емкостного разряда, горящего в среде аргона, приведены на рис. 5.11. Для разряда, горящего в
воздухе, – на рис. 5.12.
IEr,
дБмВ
60
50
40
30
20
10
0
IEr,
дБмВ
60
90
170
а
Z, мм
б
250
1
4
2
3
5
330
1
50
40
30
20
10
0
5
90
170
250
2
4
3
330
Z, мм
Рис. 5.11. Осевое распределение амплитуд гармоник электрического
поля высокочастотного емкостного разряда, горящего в аргоне:
а) 37,5 МГц; б) 39,8 МГц; 1−5 – первая, вторая, третья, четвёртая и пятая
гармоники
Z
IEr,
Z
,
96
дБмВ
60
а
1
50
40
30
20
10
0
IEr,
дБмВ
60
50
40
90
130
170
, мм
б
210
4
2
3
5
250
1
30
20
10
0
0
90
130
170
мм
210 250
3
2
4
5
Рис. 5.12. Осевое распределение амплитуд гармоник электрического поля
высокочастотного емкостного разряда, горящего в воздухе:
а) 37,5 МГц; б) 39,8 МГц; 1−5 – первая, вторая, третья, четвёртая и пятая
гармоники
На этих рисунках представлены результаты для следующих частот
электромагнитного поля: ν = 37,5 МГц; 39,8 МГц. По оси абсцисс отложено расстояние от верхней кромки высокочастотного электрода до
точки измерения; по оси ординат – амплитуда сигнала в логарифмическом масштабе.
Как видно из рис. 5.11 и 5.12, затухание гармоник вдоль оси высо-
97
кочастотного емкостного разряда не обязательно увеличивается с увеличением порядкового номера гармоники. В то же время при распространении поперечно-магнитной волны вдоль проводящего цилиндра её
затухание должно возрастать с увеличением частоты электромагнитных
колебаний. Следовательно, для высокочастотного емкостного разряда,
так же как и для случая в
сокочастотного факельного разряда [80],
ы
можно предположить существование параметрического взаимодействия
внешнего электромагнитного поля с собственными колебаниями плазмы разряда.
Величины осевого затухания гармоник электрического поля в зависимости от частоты основной гармоники представлены на рис. 5.13, а и б
для аргона и воздуха соответственно. На рис. 5.13, а по оси ординат отложена в логарифмическом масштаб
е величи
на затухания гармоник
электрического поля между точками 90 и 330 мм. На рис. 5.13, б – величина затухания гармоник электрического поля между точками 90 и
250 мм. Расстояние 250 мм приблизительно соответствует окончанию
канала разряда, горящего в воздухе.
Как видно из рис. 5.13, а и б, осевое затухание гармонических состав-
ляющих высокочастотного емкостного разря
а существенно зависит от
д
частоты. В частности, переход от роста к затуханию и обратно к росту
третьей гармоники электрического поля разряда, горящего в аргоне, происходит при изменении частоты горения разряда на 3,5…4,0 МГц. Аналогично выраженное затухание второй гармоники при горении разряда в аргоне наблюдается лишь при изменении частоты на 2,0…
2,5 МГц. При го
рении разряда в воздухе выраженное затухание пятой гармоники наблюдается в диапазоне частот 2,0…2,5 МГц. Подобный характер изменения
гармоник в зависимости от частоты можно назвать резонансным. Можно
предположить, что подобное поведение гармоник вдоль оси разряда связано с отражением электромагнитной волны в конце канала разряда и образование
м стоячей волны. Однако, как показывают расчёты, такое изменение амплитуды гармоник вдоль оси разряда возможно лишь при изменении волнового числа электромагнитной волны в несколько раз.
Учитывая, что для случая проводящего цилиндра волновое число
пропорционально корню квадратному от частоты, получим, что величина частоты должна измениться минимум в десятки раз. В нашем же случае изменение част
оты составляет в
сего 10…15 %.
Таким образом, полученные нами экспериментальные результаты
не могут быть объяснены лишь на основе предположения об отражении
электромагнитной волны в конце канала разряда.
-
15
б
98
10
, дБ
5
r330
/E
r90
0
20lgE
–5
–10
34
15
10
,дБ
5
r250
/E
r90
0
20lgE
–5
35 36
4
3
1
2
5
37
38
ν, МГц
а
3
4
39
5
2
1
40
41
–10
34
35
36
37
38
39
40
41
ν, МГц
Рис. 5.13. Зависимость величины затухания электромагнитного
поля вдоль оси емкостного разряда от частоты:
1−5 – первая, вторая, третья, четвёртая и пятая гармоники
а) аргон; б) воздух;
Также на распределение электромагнитного поля могут оказать
влияние окружающие предметы, например металлическая стенка высокочастотного генератора. Для проверки этого влияния нами проводились измерения электромагнитного поля емкостного разряда, ориентированного как вдоль, так и перпендикулярно стенки генератора. Существенных различий в результатах измерений обнаружено не было.
IEr,
д
99
БмВ
60
50
40
30
1
4
IEr,
дБмВ
20
10
0
60
50
40
30
90
170
Z, мм
а
1
4
2
250
2
3
5
330
20
10
0
90
170
3
5
250
330
Z, мм
б
Рис. 5.14. Осевое распределение амплитуд гармоник электрического поля
емкостного разряда, горящего в смеси аргон–воздух:
а) А:В = 90:10, Te = 6950 К, ne = 9,9·1018 м–3; б) А:В = 80:20, Te = 6500 К,
ne = 2,0·1018 м–3; в) А:В = 70:30, Te = 6200 К, ne = 5,1·1018 м–3
IEr,
100
дБмВ
60
1
50
40
30
20
10
0
90
170
250
4
2
3
5
330
Z, мм
в
Рис. 5.14. Продолжение
При разбавлении аргона, подаваемого в разряд, воздухом электронная температура разряда уменьшается. Уменьшается также концентрация электронов в плазме разряда. Так, в чистом аргоне измеренная
электронная температура разряда составляла 8300 К. В случае же добавления в аргон 10…15 % воздуха электронная температура разряда
уменьшается до 7000 К. На рис. 5.14 представлены осевые распределения гармоник элект
гоне с различным добавлением воздуха на частоте 37,5 МГц. Там же
приведены результаты измерений электронной температуры и концентрации электронов на оси разряда.
Если сопоставить эти распределения с распределениями, полученными для чистого аргона (рис. 5.11, а), то можно видеть, что добавление
воздуха в аргон вызывает увеличение затухания всех гармоник, за исключением третьей гармоники.
Третья гармоника вместо затухания, наоборот, возрастает. Причём,
чем мен
ше величина разбавления аргона воздухом, тем больше рост
ь
третьей гармоники вдоль оси разряда. Подобное аномальное поведение
третьей гармоники реализуется лишь в достаточно узком частотном
диапазоне. Данный эффект можно объяснить следующим образом. При
разбавлении аргона воздухом концентрация электронов и соответствующая ей плазменная ч
щих параметрический резонанс третьей гармоники поля. Вследствие
ического поля емкостного разряда, горящего в ар-
р
астот
а уменьшаются до величин, обеспечиваю-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]