Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электродинамика высокочастотных разрядов емкостного типа. Учебное пособие
.pdf
ГЛАВА 5. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
81
В ПЛАЗМЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ РАЗРЯДОВ ЕМКОСТНОГО ТИПА
5.1. Особенности распространения частотных составляющих
электромагнитного поля в плазме факельного разряда
Расхождения в результатах измерений волнового числа по радиально-
му распределению радиальной компоненты электрического поля с резуль-
точной адекватности используемой модели разряда. Для дополнительной
проверки модели факельного разряда, учитывающей наличие отражённой
электромагнитной волны, нами был проведён следующий эксперимент. Заметим, что коэффициент затухания электромагнитной вол
няющейся вдоль проводящего цилиндра, зави
1/2
~ω
, где ω – угловая частота электромагнитной волны. Поэтому электро-
сит от частоты по закону
магнитные волны с частотами, значительно превышающими основную частоту горения разряда, будут затухать настолько сильно, что их отражением
в конце канала разряда можно будет пренебречь, а их амплитуда вдоль оси
разряда будет меняться по закону, близкому к экспоненциальному.
В нашем случае в качестве зондирую
щих высо
тромагнитных колебаний использовались собственные гармоники высокочастотного генератора. Амплитуды частоты составляли не более
15…20 % от амплитуды основной гармоники, поэтому можно считать,
что параметры газоразрядной плазмы определялись основной частотой
горения разряда.
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 3.28.
Измерения проводились емкостным зондом, сигнал с которого подавался на вход спектроанализатора СК4-59. Для увеличения точности измерений использовался не логарифмический, а линейный режим работы
индикатора. Емкостной зонд представ
собой медный штырь диамет-
лял
ром 1 мм и длиной 3…5 мм. Расстояние от оси разряда составляло
40 мм. Разряд возбуждался в кварцевой цилиндрической камере, диаметром 32 мм. Частота электромагнитного поля составляла 22,8 МГц.
Мощность разряда варьировалась от 1 до 3 кВт.
Результаты измер
ний представлены на рис. 5.1–5.3 для высокоча-
е
стотного факельного разряда, горящего соответственно в воздухе, аргоне и гелии. По оси абсцисс отложено расстояние от электрода до точки измерения в единицах длины канала L факельного разряда. По оси
ординат – относительная амплитуда высокочастотного сигнала.
ны, распростра-
кочастотных элек-
Er/E
82
0
r0
1, 2
1,0
3
4
0,5
0,250 0,50
0,75
1,0
Z = z/l
Рис. 5.1. Осевое распределение амплитуд гармоник радиальной компоненты
электрического поля факельного разряда, горящего в воздухе:
2) 45,6 МГц; 3) 68,4 МГц; 4) 91,2 МГц при мощности 1,5 кВт
Er/E
r0
1,0
0,5
2
3
1) 22,8 МГц;
0
0,25 0
0,50
0,75
1,0
Z = z/L
Рис. 5.2. Осевое распределение амплитуд гармоник радиальной компоненты
электрического поля факельного разряда, горящего в аргоне:
при мощности 3 кВт; 2) 22,8 МГц, 45,6 МГц, 68,4 МГц при мощности 1,5 кВт;
3) 91,2 МГц при мощности 1,5 кВт
1) 22,8 МГц
Как видно из рис. 5.1, затухание электромагнитного поля в воз-
83
душной плазме наблюдается лишь при частоте поля, превышающей в
три раза основную частоту горения разряда. Амплитуда третьей гармоники уменьшается по длине канала разряда в 1,7 раза, амплитуда четвёртой гармоники – в 2,1 раза. Отметим, что характер изменения амплитуды гармонических составляющих вдоль оси разряда скорее линейный,
чем экспоненциальный. Данный факт говорит о несовер
енстве модели
ш
канала разряда в виде однородной электрической линии конечной длины. Необходимо учитывать изменение параметров разрядного канала
вдоль его оси, в частности осевое распределение удельной электропроводности плазмы разряда.
Из рис. 5.2 видно, что при горении факельного разряда в среде ар-
гона зату
хание электромагнитного поля н
аблюдается лишь у четвёртой
гармонической составляющей. Более того, при увеличении мощности
разряда до 2,5…3,0 кВт наблюдается рост амплитуды основной гармоники электромагнитного поля вдоль оси разряда. В случае же факельного разряда, горящего в гелии, затухание электромагнитного поля носит
обычный характер.
Er/E
r0
1,0
2
0,5
0
0,250
0,50
3
0,75
1,0
Z = z/L
Рис. 5.3. Осевое распределение амплитуд гармоник радиальной компоненты
электрического поля факельного разряда, горящего в гелии:
2) 45,6 МГц; 3) 68,4 МГц при мощности 1,5 кВт
1) 22,8 МГц,
Как видно из рис. 5.3, степень затухания электромагнитного поля
вдоль оси разряда увеличивается с увеличением его частоты. При этом
форма кривых отличается от экспоненциальной. Полученные экспери-
ментальные зависимости скорее могут быть описаны не экспонентой, а
84
зависимостью вида E
~ 1 – exp(az), где z – осевая координата, a – неко-
r
торый коэффициент.
По-видимому, подобная форма кривых обусловлена увеличением
диаметра канала разряда, горящего в гелии, с увеличением расстояния
от высокочастотного электрода. В случае факельного разряда, горящего
в тяжёлых газах, таких как воздух и аргон, диаметр разрядного канала,
наоборот, уменьшается с увеличением расстояния от электрода.
В результ
те измерений частотных составляющих электромагнитного
а
поля факельного разряда, горящего в гелии, нами было также установлено
появление дополнительных гармоник-сателлитов – вблизи частот 67 МГц
и 91 МГц. Разброс их частот составляет приблизительно 10 МГц.
Заметим, что результаты измерения распределения амплитуды электромагнитного поля вдоль оси разряда согласуются с результатами измерения длины канала разря
да пр
и одном и том же уровне мощности, подводимой к разрядной плазме. Так, длина канала разряда, горящего в гелии, в
2–3 раза меньше длины канала разряда, горящего в воздухе. В свою очередь, длина канала разряда, горящего в воздухе, в 2–3 раза меньше длины
канала разряда, горящего в аргоне. В то же время в случае горения ра
зряда
в среде аргона наблюдается рост компонент электромагнитного поля
вдоль оси разряда, в случае воздушной плазмы наблюдается постоянство
компонент поля, а в случае горения разряда в среде гелия наблюдается
уменьшение амплитуды поля вдоль оси разряда.
Таким образом, результаты проведённых измерений позволяют
утверждать, что при горении разряда в воздухе и аргоне, в определённом диапазоне частот, коэффициент затухания электромагнитного поля
почти не изменяется. Особен
но данный эффект выражен в случае
фа-
кельного разряда, горящего в среде аргона.
Проведём оценку характерных частот плазмы факельного разряда,
горящего в воздухе и аргоне. По данным работы [93], концентрация
электронов в воздушной плазме факельного раз
n
мосф
ерном давлении, составляет
~1018м–3. В работе [94] концентрация
e
ряда, горящего при ат-
электронов в плазме факельного разряда, горящего в аргоне, непосредственно над срезом высокочастотного электрода, оценивается как
n
~1020 м–3, а в случае факельного разряда, горящего в среде гелия,
e
~5,3·1021 м–3. Соответственно, электронная и ионная плазменные ча-
n
e
стоты для воздушной плазмы будут составлять:
Для аргоновой плазмы факельного разряда:
В случае горения разряда в гелии:
~352 ГГц;
e
~9 ГГц;
e
~90 ГГц;
e
~2,44 ГГц. Можно за-
i
~40 МГц.
i
~330 МГц.
i
метить, что в случае воздушной плазмы ионная плазменная частота
близка к частоте второй гармоники электромагнитного поля, запитыва-
85
ющей разряд. В то же время именно при частотах, превышающих частоту второй гармоники, наблюдается нормальное затухание электромагнитного поля. В случае же аргоновой плазмы ионная плазменная частота получается несколько выше измеряемых нами частот. Однако можно
предположить, что в центральной части канала разряда, а не непосредственно над электродом, концентрация электронов, а следовательн
ионная плазменная частота в несколько раз
меньше величины, приве-
о, и
дённой в работе [94]. В случае же гелиевой плазмы ионная плазменная
частота на порядок больше величины используемых нами частот.
Таким образом, можно предположить, что наблюдаемый нами аномальный характер затухания электромагнитного поля факельного разряда, горящего в воздухе и аргоне, свя
ан с близостью частоты горения
з
разряда к ионной плазменной частоте. По всей видимости, имеет место
параметрическое взаимодействие собственных колебаний плазмы с
внешним электромагнитным полем.
5.2. Амплитудно-частотные характеристики электромагнитного
поля высокочастотного факельного разряда
Выше было установлено отсутствие затухания первых гармонических составляющих электрического поля вдоль оси факельного разряда,
горящего в воздухе и аргоне. Этот эффект наиболее выражен в случае
горения разряда в среде аргона, вследствие чего представляет собой интерес более детально проанализировать распространение электромагнитной волны в аргоновой плазме разряда.
Рассмотрим влияние частоты горения факельного разряда на характер
распространения частотных состав
ляющих его электромагнитного
поля.
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 5.4. Разряд возбуждался в кварцевой камере длиной 500 мм и диаметром 28 мм в среде аргона. Частота электромагнитного поля варьировалась от 36,4 до 39,6 МГц.
Расход аргона составлял 0,5 м
3
/час. Мощность разряда находилась в преде-
лах от 0,5 до 1,0 кВт. Измерения частотных составляющих электрического
поля разряда проводились емкостным зондом, сигнал с которого по линии с
двойной экранировкой подавался на вход спектроанализатора GSP-827.
Емкостный зонд представлял собой медный штырь диаметром 1 мм и длиной 3…5 мм. Расстояние от оси разряда составляло 60 мм.
Одновременно с изм
ля факельного
разряда проводилось измерение электронной и газовой
ерением характеристик электромагнитного по-
температуры плазмы разряда. Измерение электронной температуры
проводилось спектрографом Shamrock SR-303i двумя способами.
5
86
2
3
4
6
1
≈
Рис. 5.4. Схема экспериментальной установки:
1 – ВЧ-генератор; 2 – разряд; 3 – разрядная камера; 4 – зонд; 5 – линзы;
6 – спектрограф
к спектроанализатору
Первый способ – по относительной интенсивности линий меди.
Использовались линии: 5106 Å, 5153 Å и 5218 Å. Энергии и относительные вероятности переходов, соответствующих данным линиям, были взяты из работы [177]. Типичный спектр аргоновой плазмы факельного разряда приведён на рис. 5.5.
Второй способ – по частотной зависимости интенсивности континуума атомов аргона в диапазоне длин волн от 3300 до 4000 Å. Измерения электронной температур
ы по част
отной зависимости интенсивности
континуума проводились в соответствии с методикой, изложенной в работе [176]. Согласно работе [176] интенсивность континуума
атомов
аргона в диапазоне длин волн 3300…4000 Å может быть описана следующей зависимостью:
h
где
h − постоянная Планка;
const exp
− частота;
T
e
,
kT
e
− электронная температура.
Спектр факельного разряда, горящего в среде аргоне, в диапазоне
длин волн от 3300 до 4000 Å представлен на рис. 5.6.
Измерения газовой температуры проводились по относительной
интенсивности вращательных линий полосы молекулы CN 3883 Å. Разрешение спектрографа не позволяло разрешить отдельные линии, поэтому газовая температура оценивалась по неразрешённой полосе
3883 Å с использованием методики, приведённой в работе [140]
.
I
I
Z
87
Рис. 5.5. Спектр аргоновой плазмы высокочастотного факельного разряда
в диапазоне длин волн от 4900 до 5400 Å (линии меди)
Рис. 5.6. Спектр высокочастотного факельного разряда, горящего
в среде аргона в диапазоне длин волн от 3300 до 4000 Å
Измерения электронной и газовой температуры аргоновой плазмы факельного разряда проводились с целью определения концентрации электронов. Концентрация электронов рассчитывалась по двухтемпературной
формуле Саха на основе известных значений электронной и газовой температур. Двухтемпературная формула Саха имеет [178] следующий вид:
n
e
где
но;
,,
nnn
eia
m
e
Больцмана;
– концентрация электронов, ионов и атомов соответствен-
– масса электрона; h – постоянная Планка;
– отношение электронной температуры к температуре
тяжёлых частиц;
– статистическая сумма ионов и атомов соответственно.
,
Z
ia
1
nZmkT II
iieBe
nZh kT
aa Be
22
2
– пониженный ионизационный потенциал;
3
2
exp
,
– постоянная
k
B
Величина понижения потенциала
I
I
88
ражением:
21
dkTen
определится следующим вы-
22
Ze d
Be e
4;
C
2
0
0
12
,
где ZC – эффективный заряд;
– диэлектрическая постоянная.
0
Необходимые для расчёта концентрации электронов значения статистических сумм приведены в работе [179].
Полученные величины концентрации электронов, в свою очередь,
использовались для проведения расчёта электронной и ионной плазменной частоты. Электронная и ионная плазменные частоты рассчитывались по следующим формулам:
1
2
2
ne
i
e
i
m
0
i
1
2
ne
e
m
0
e
; (5.1)
2
. (5.2)
В формуле (5.1) учтено, что при существующей температуре аргоновой плазмы основную часть заряженных частиц составляют однократно ионизованные ионы.
Измерения электронной и газовой температуры разряда проводились для его центральной части, на расстоянии 80 мм от электрода.
В результате измерений было установлено, что при горении разряда
в диапазоне частот 23…40 MГц электронная температура меняет
ся незначительно и составляет 8300…8600 К на оси канала разряда и
7600…7900 К на границе между каналом разряда и его диффузионной
оболочкой. При уменьшении частоты наблюдается небольшой рост
температуры электронов. Величина газовой температуры находилась
в пределах 1800...2000 К.
Дополнительные измерения показали, что вдоль оси разряда электрон-
ная и газовая температуры изменяются не более че
основе полученных значений электронной и газовой температур
На
м на 20...25 %.
по двухтемпературной формуле Саха была рассчитана концентрация
электронов в плазме разряда, которая составила n
~ (0,2…1,0)·10
e
21 м–3
.
Результаты измерения осевого распределения амплитуд первых четырёх гармоник электрического поля факельного разряда представлены на
рис. 5.7, а – 5.7, г. На этих рисунках по оси абсцисс отложено расстояние
от электрода до точки измерения. По оси ординат отложена амплитуда
сигнала в логарифмическом масштабе. Гармоники более высокого поряд-
ка, как правило, имеют величину амплитуды не более 10 dBmV, поэтому в
Z
,
89
нашем случае они не рассматривались.
Er,
дБмВ
50
40
30
20
10
0
Er,
дБмВ
50
0
125
a
250
мм
б
1
1
2
3
4
375
500
2
40
30
20
10
0
0
125
250
4
3
375
500
Z, мм
Рис. 5.7. Осевое распределение гармонических составляющих электрического
поля высокочастотного факельного разряда, горящего в аргоне:
1, 2, 3, 4 – первая, вторая, третья и четвёртая гармоники соответственно;
a) 39,6 МГц; б) 38,4 МГц
Er,
90
дБмВ
50
в
1
40
30
10
0
Er,
дБмВ
50
0
125
250
Z, мм
г
4
2
3
1
2
375
500
40
4
30
3
20
10
0
0
125
250
375
500
Z, мм
Рис. 5.7. Осевое распределение гармонических составляющих электрического
поля высокочастотного факельного разряда, горящего в аргоне:
1, 2, 3, 4 – первая, вторая, третья и четвёртая гармоники соответственно;
в) 37,4 МГц; г) 36,4 МГц
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]