Електромагнітні поля та структура факельного НВЧ розряду

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ ім. О.Я. УСИКОВА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ПОЛЯ ТА СТРУКТУРА ФАКЕЛЬНОГО НВЧ РОЗРЯДУ

01.04.04 - фізична електроніка

Суворова Ольга Олександрівна

Харків - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної Академії Наук України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Кириченко Олександр Якович, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, м. Харків, провідний науковий співробітник відділу радіофізики твердого тіла

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Ваврів Дмитро Михайлович, Радіоастрономічний Інститут НАН України, м. Харків, завідувач відділу електронних НВЧ пристроїв

доктор фізико-математичних наук, професор Чурюмов Геннадій Іванович, Харківський національний університет радіоелектроніки МОН України, м. Харків, професор кафедри фізичних основ електронної техніки

Провідна установа: Харківський національний університет імені. В.Н. Каразіна МОН України, кафедра напівпровідникової та вакуумної електроніки

Захист відбудеться 18 грудня 2003 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (61085, Харків, вул. Акад. Проскури, 12, конференц-зала).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ІРЕ НАН України (61085, Харків, вул. Акад. Проскури, 12)

Автореферат розісланий 17 листопада 2003 р.

Т.в.о. вченого секретаря спеціалізованої вченої ради М.І. Дзюбенко

АНОТАЦІЇ

Суворова О.О. Електромагнітні поля та структура факельного НВЧ розряду. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 - фізична електроніка. - Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, Харків, 2003.

Дисертацію присвячено експериментальному дослідженню розподілу електромагнітного поля, енергетичних характеристик та структури розряду, що створюються у моделі коаксіального НВЧ плазмотрона (=10 ГГц, потужність 112 Вт). Для вимірювання розподілу НВЧ поля безпосередньо у розряді запропоновано новий метод, який базується на використанні вібруючої струни як малого пробного тіла. За його допомогою вивчено характер розподілу електричної складової НВЧ поля у розрядах. Встановлено та пояснено існування різних структур у НВЧ розряді (шнурової, факельної, сферичної) в залежності від способу подавання газу та особливостей конструкції плазмотрону. Досліджено їхній вплив на розподіл НВЧ поля та енергетичні характеристики розрядів.

Ключові слова: коаксіальний НВЧ плазмотрон, факельний розряд, розподіл електромагнітного поля, поверхнева хвиля, структура розряду.

Suvorova O.A. Electromagnetic fields and structure of microwave torch discharge. - Manuscript.

Thesis for a degree of Doctor of Philosophy (Ph.D.) in physical and mathematical sciences by speciality 01.04.04 - physical electronics. - Usikov`s Institute for Radiophysics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 2003.

Thesis is devoted to experimental investigations of electromagnetic field distribution, energy parameters and structure of discharge induced by the coaxial microwave plasmatron (=10 GHz, microwave power of 112 W). A new method has been proposed for measurement of electromagnetic field immediately in discharge, which based on usage of vibration string as a small perturbing body. The electric component distributions of microwave field in discharge are studied. The excitation of variety of structures in microwave discharge (filament, torch, and sphere) depended on gas supply and constructive features of plasmotron is found and explained. Has been investigated the influence of ones on microwave field distribution and energy parameters.

Keywords: coaxial microwave plasmarton, torch discharge, electromagnetic field distribution, surface wave, structure of discharge.

Суворова О.А. Электромагнитные поля и структура факельного СВЧ разряда. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04. - физическая электроника. - Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, Харьков, 2003.

Диссертация посвящена экспериментальному изучению характера распределения электромагнитного поля, энергетических характеристик и структуры разряда, который создается коаксиальным СВЧ плазмотроном (=10 ГГц, мощность 112 Вт). Для установления распределения СВЧ поля непосредственно в плазме СВЧ разряда предложен новый метод вибрирующей струны. Он является одним из вариантов известного метода малого возмущающего тела, широко применяющегося для исследования полей внутри резонаторов. В диссертации метод малого пробного тела адаптирован для исследования полей в свободном пространстве вблизи излучателей сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн. В качестве возмущающего тела предложено использовать тонкую (d_стр<<л) и длинную (L_стр>>л) стальную струну, которая приводится в колебательное движение на собственной частоте с помощью катушки, питаемой от звукового генератора. Вибрирующая струна располагается в исследуемом поле, и по амплитуде сигнала, отражаемого от струны, судится о величине напряженности поля в точке расположения струны. Колебания струны выполняют двойную функцию: с одной стороны, они выполняют функцию перемещения пробного тела (струны) в исследуемом поле, а с другой - модулируют рассеиваемый струной сигнал, что позволяет его выделить на фоне отражений от окружающих объектов. Метод был протестирован при исследовании полей уже известных излучателей в свободном пространстве, которые показали достоверность и применимость предложенного метода.

В диссертации исследуется три типа разрядов, создаваемых в трех моделях коаксиального СВЧ плазмотрона, различающихся способом подачи плазмообразующего газа (аргона). В первой модели аргон подается по промежутку между внутренним и внешним проводниками коаксиала, во второй - по каналу во внутреннем проводнике коаксиала, а в третьей модели разряд возникает на конце штыря - антенны, которая выступает за срез сопла плазмотрона и является продолжением внутреннего проводника.

С помощью метода вибрирующей струны установлен характер распределения СВЧ поля во всех трех типах разрядов и установлена его связь с режимами питания плазмотрона и его особенностями конструкции. Экспериментально доказано наличие и определены параметры замедленной электромагнитной волны, которая распространяется вдоль канала разряда и поддерживает его существование. Теоретический анализ явления распространения замедленной волны подтвердил результаты эксперимента.

Установлено отличие в феноменологии СВЧ разрядов, создаваемых в первой и во второй модели плазмотрона. Показано, что в первой модели независимо от режимов работы плазмотрона разряд имеет только факельную форму, в виде цилиндра с ярко светящимся каналом (в котором распространяется замедленная поверхностная волна), диффузной оболочкой и разделяющего их темного пространства. Во второй модели в зависимости от расхода плазмообразующего газа разряд может принимать либо факельную, либо форму шнура. Выбор разрядом той или иной формы объясняется с привлечением понятий газовой динамики о вытекающих струях.

Показано, что разряд поглощает большую часть подводимой к нему мощности практически при всех режимах питания, причем выявлены условия максимального поглощения (до 80-90 %) СВЧ мощности разрядом.

Впервые прямым способом измерена температура нейтрального газа непосредственно в плазме СВЧ разряда и получены профили распределения температуры газа вдоль оси разряда.

Обнаружен новый тип электродного разряда, который возбуждается на конце штыря - антенны в третьей модели плазмотрона. С повышением мощности этот разряд структурируется по азимутальной координате в виде сфер. Доказано, что причиной такого структурирования разряда есть выбор плазменным образованием энергетически выгодной формы.

Ключевые слова: коаксиальный СВЧ плазмотрон, факельный разряд, распределение электромагнитного поля, поверхностная волна, структура разряда.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Необхідність інтенсифікації технологічних процесів все частіше вимагає звертатися до можливостей плазми газового розряду, які визначаються широким переліком її характеристик та простим керуванням ними через зміну режимів роботи плазмостворювальних пристроїв та різноманітністю їх конструкцій. У наш час плазма газового розряду використовується в процесах зварювання та нарізання різних матеріалів, в нанесенні покриттів та плівок різної товщини, при створенні на базі плазмохімії матеріалів з удосконаленими експлуатаційними характеристиками, у спектрохімічному аналізі.

Вже минуло майже два століття з того часу, як газовий розряд увійшов до практики фізичного експерименту та послужив основою нових напрямків у природознавстві, таких, як електроніка, електронна оптика, спектроскопія, плазмохімія, термоядерний синтез та інше. Якщо перші етапи досліджень тліючого газового розряду стали підвалинами для вивчення властивостей елементарного електричного заряду - електрона (В. Крукс, Дж.Дж. Томсон), а дослідження іскрових розрядів дозволило створити перші джерела електромагнітних коливань (Г. Герц, О.С. Попов, А.А. Глагольєва - Аркадьєва), то зараз, розвиваючись далі, електроніка і радіофізика стали основою нових видів розрядів, що створюються електромагнітними полями від низьких до радіочастот, до надвисоких частот і навіть у оптичному діапазоні електромагнітного спектра.

По мірі створення джерел електромагнітних коливань усе більш високих частот і підвищення їхньої вихідної потужності з'явилися і нові різновиди високочастотних (ВЧ) і надвисокочастотних (НВЧ) розрядів. Удосконалювалися і з'являлися нові пристрої (генератори плазми) для збудження і підтримування нових видів розрядів. Поряд з використанням електричних розрядів на постійному та перемінному струмах промислової частоти, дослідження яких почалося ще в ХIХ столітті, з середини ХХ століття широко впроваджуються в технологічні процеси розряди високої частоти, яким притаманні більш висока концентрація заряджених часток, оперативне керування характеристиками, і які мають компактні пристрої для їхнього створення.

На особливу увагу заслуговують джерела плазми газового розряду, які працюють при підвищеному (зокрема атмосферному) тиску, що дозволяє одержати плазму з високою концентрацією заряджених часток, навіть при невисокому ступені іонізації газу. Такими джерелами плазми в області надвисоких частот є плазмотрони різного типу. Коли майже піввіку тому магнетронні генератори досягнули потужності в 1 кВт в діапазоні частот 0.5-1.1 ГГц, тоді з'явилася можливість створити перший НВЧ плазмотрон, що формує факельний розряд в аргоні, гелії, азоті, вуглекислому газі і повітрі при атмосферному тиску. Зі створенням джерел коливань НВЧ на все коротші хвилі і підвищенням їхньої вихідної потужності з'являлися нові можливості в створенні плазмотронів на усе більш високих частотах. До теперішнього часу за робочі частоти при проектуванні НВЧ плазмотронів, що застосовуються у промисловості, найчастіше використовуються частоти 0,915 ГГц і 2,450 ГГц. Для цих розрядів використовуються джерела НВЧ коливань, що генерують потужність до 0.5 МВт і до 10 кВт відповідно.

Одна з конструкцій плазмотрона, яка дозволила збудити й утримувати стаціонарний газовий розряд на частоті 10 Ггц потужністю, що не перевищує 10 Вт, був плазмотрон, створений А.П. Моторненко зі співавторами ще в середині сімдесятих років минулого сторіччя. Це був плазмотрон, створений на найвищій частоті на той час. Він і до цього часу займає ці передові позиції. Унікальні властивості плазми такого розряду поставили цілий ряд питань перед дослідниками: в чому полягає причина високої сталості такого розряду, можливість його утримання порівняно низьким рівнем потужності, що підводиться, при напруженості електричного поля значно нижче пробійного значення. Характерними ознаками цього розряду є підвищена термічна нерівноважність утворюваної плазми, високий коефіцієнт трансформації підведеної електромагнітної енергії у розряд і т.п. Це вимагало подальшого, більш докладного дослідження особливостей цього розряду, з'ясування характеру розподілу електромагнітного поля в розряді і залежності цього розподілу від режимів живлення плазмотрона, пильного дослідження структури розряду при різних способах підведення робочого газу в розряд, вивчення температурних залежностей важких часток у цьому нерівноважному розряді і т.п. Щоб відповісти на всі ці питання, необхідно було розробити нові методики дослідження даного розряду, тому що специфічні особливості цього плазмового утворення (малі розміри, нерівноважність) не дозволяють одержати традиційними експериментальними методиками не тільки достовірних кількісних даних про параметри плазми, але в окремих випадках навіть якісних.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано у відділі радіофізики твердого тіла ІРЕ ім. А.Я. Усикова НАН України в рамках досліджень, що ведуться по держбюджетним НДР "Електромагнітні та акустичні явища НВЧ діапазону у твердотільних структурах" (шифр "Кентавр-1”, номер держреєстрації 01.96U006109) і "Дослідження електромагнітних та акустичних явищ НВЧ діапазону у твердотільних структурах" (шифр "Кентавр-2”, номер держреєстрації 0100U006335). Автор є одним із виконавців даних тем, і його науковий внесок у них відображений у дисертації.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є експериментальне вивчення розподілу електромагнітного поля безпосередньо у плазмі НВЧ розряду, з'ясування можливості поширення уздовж плазмового утворення поверхневої електромагнітної хвилі, спостереження за феноменологією розряду і її динамікою, вивчення характеристик розряду (геометричних, енергетичних, температурних) і їхнього зв'язку поміж собою.

Для досягнення цієї мети необхідно розв'язати такі наукові задачі:

Розробити нові методики для вивчення розподілу НВЧ поля і точного виміру температури газу безпосередньо в плазмі НВЧ розряду плазмотрона.

Вивчити амплітудно-фазовий розподіл поля НВЧ хвилі, що поширюється уздовж розряду, та визначити її характеристики.

Розглянути теоретично можливість поширення сповільненої поверхневої хвилі уздовж розряду в умовах, що відповідають умовам проведеного експерименту.

Розглянути феноменологію і поведінку розряду, сформованого НВЧ плазмотроном в залежності від режимів живлення і особливостей конструкції.

Об'єктом дослідження є надвисокочастотний газовий розряд факельного типу.

Предмет дослідження - НВЧ поля і їхній зв'язок зі структурою розряду.

Методи дослідження, що використовуються для розв'язання задачі. Для дослідження характеристик НВЧ факельного розряду використовувалися як відомі методи, що широко застосовуються в експерименті, так і нові методи, розроблені безпосередньо в процесі досліджень. Для експериментального виміру розподілу НВЧ поля в розряді використовувався запропонований у дисертації метод пробного збурювального тіла у вигляді струни, що вібрує. Метод дозволяє одержати амплітудно-фазові залежності напруженості поля поблизу випромінювачів міліметрового і сантиметрового діапазонів у реальному масштабі часу. Картина розподілу НВЧ поля спостерігалася на екрані осцилографа. Вимір температури газу провадився з допомогою термоопору особливої конструкції, виконаного у вигляді тонкого металевого дроту, діаметр якого більше ніж на порядок менше за геометричні розміри розряду. Спостереження за динамікою розряду і вимірювання його геометричних розмірів здійснювалося катетометром зі збільшенням, розряд також фотографувався. Вимірювання енергетичних характеристик розряду виконувалося з використанням стандартної НВЧ вимірювальної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів визначається тим, що:

Розроблено новий метод візуалізації розподілу полів у ближній зоні випромінювачів міліметрового і сантиметрового діапазонів.

Вперше встановлено амплітудно-фазовий розподіл НВЧ полів безпосередньо в плазмі розряду, який вказав на наявність сповільненої поверхневої хвилі, що поширюється уздовж розряду.

Встановлено характер розподілу НВЧ поля та енергетичні характеристики розряду (величини потужності, що поглинається розрядом, відбивається від нього та випромінюється розрядом як антеною) в залежності від режимів роботи та конструкцій плазмотрона.

Виявлено низькочастотні коливання в НВЧ розряді.

Знайдено існування двох форм розряду -факельної та шнурової для НВЧ плазмотрона з подачею робочого газу по каналу у внутрішньому електроді і пояснено структуру розряду з залученням понять газової динаміки.

Створено новий електродний НВЧ розряд, що запалюється при атмосферному тиску на кінці антени, яка є продовженням центрального електрода коаксіального НВЧ плазмотрона. Виявлено умови переходу електродного розряду із факельної форми в сферичну і структурування сферичного плазмового утворення.

Практичне значення одержаних результатів визначається тим, що отримано нову інформацію про фізичні властивості плазми газового СВЧ розряду, що може бути використана в електроніці, плазмохімії і для спектрального аналізу аерозольних та газових сумішей та тонких дротів. Зокрема, розряд в атмосфері допоможе проводити в екологічних цілях контроль стану навколишнього середовища. Запропонований метод вібруючої струни дає можливість без застосування складного обладнання оперативно вимірювати розподіл електромагнітного поля поблизу випромінювачів як у лабораторних, так і у заводських умовах.

Особистий внесок здобувача полягає в безпосередній участі його у розробці методів дослідження, створенні та настроюванні вимірювальних методик та постановці експериментів. Експериментальні дані, наведені у дисертації, отримані автором особисто. Автор виявила різницю в структурі розрядів, що формуються при різних режимах живлення плазмотрону. Вона брала участь у поясненні отриманих експериментальних результатів та їхній фізичній інтерпретації.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися й обговорювалися на Third International Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves" (Харків, Україна, 1998); 10^ій ,11^ій ,12^ій Кримських Міжнародних конференціях "НВЧ техніка і телекомунікаційні технології" (Севастополь, Крим, Україна, 2000, 2001, 2002); на конференціях молодих науковців “Евріка - 2001” і “Евріка - 2002” (Львів, Україна); Першій і Другий харківських конференціях молодих вчених “Радіофізика й електроніка НВЧ” (Харків, Україна, 2001 і 2002); International Workshop on Quasi-Optics and Microwave Electronics (Харків, Україна, 2002), на семінарах фізики твердого тіла і радіофізики міліметрових і субміліметрових хвиль в ІРЕ НАН України.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 13 робіт. З них 7 статей у спеціалізованих українських і міжнародних наукових журналах і 6 тез доповідей у збірниках праць наукових конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків (127 сторінок). Повний обсяг дисертації складається з 139 сторінок, з них 15 сторінок переліку літературних джерел (132 найменування).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми та прикладне значення дисертації. Викладено зв'язок роботи з науковими програмами. Сформульовано мету та задачі досліджень, показано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

В першому розділі дисертації „Факельний розряд і методи його дослідження” наведено огляд історії досліджень факельних розрядів низьких та високих частот, зокрема сформованих коаксіальними плазмотронами. Проаналізовано сучасний стан досліджень факельних НВЧ розрядів та пристроїв для їхнього створення, серед яких визначено місце НВЧ плазмотрону, факельний розряд якого є об'єктом вивчення. Плазмотрон живиться від генератора НВЧ коливань з частотою 10 ГГц, який має потужність в 1-12 Вт. За плазмостворювальний газ використовується спектрально чистий аргон.

НВЧ плазмотрон являє собою хвилеводно - коаксіальний перехід, у вихідній частині якого для формування ламінарного потоку аргону зроблено сопло. Після подавання у плазмотрон аргону і НВЧ потужності та короткочасного закорочення провідників коаксіалу металевим дротиком на зрізі сопла виникає розряд, який ніби є продовженням внутрішнього провідника коаксіалу. Розряд має яскраве стабільне світіння блакитного кольору, спектр його не містить матеріалу електродів і розряд може стало існувати необмежений час без будь-яких змін. Плазмі НВЧ розряду притаманні такі параметри: n_e?10¹⁴-10¹⁵ см^-3, Т_е=10⁴ К, Т_г?10³ К.

У дисертації досліджуються три типи розряду, які виникають у коаксіальному НВЧ плазмотроні при подаванні газу (аргону) таким чином: 1 -по проміжку поміж внутрішнім та зовнішнім провідниками коаксіалу, 2 -по каналу у внутрішньому електроді коаксіалу, 3 - при подаванні аргону по міжелектродному проміжку, але в цьому випадку внутрішній провідник подовжується у вільний простір у вигляді штиря-антени. Як буде показано нижче, у цих трьох випадках розряди мають різні характеристики.

Також у першому розділі наведено огляд експериментальних методик для визначення розподілу електромагнітного поля у розряді НВЧ плазмотрону, аналіз яких показав, що на теперішній час не існує методик, які дозволяють напряму виміряти розподіл електромагнітного поля у плазмі НВЧ розрядів. Для вивчення розподілу напруженості електричної складової електромагнітного поля в НВЧ розряді в дисертації запропоновано новий метод вібруючої струни [1, 8]. За своєю суттю він є одним з варіантів відомого методу малого пробного тіла, який широко застосовується для дослідження розподілу полів у резонаторах. За пробне тіло використовується тонка сталева струна (d_стр<<л, L_стр>>л), яка приводиться до коливального руху на власній частоті від котушки звукового генератора. Вібруюча струна розміщується у полі випромінювача і сигнал, що розсіюється струною, є пропорційним напруженості поля у місці розташування струни. Розсіяний струною сигнал приймається детектором і за його амплітудою робиться висновок про величину напруженості поля. Коливання струни виконують подвійну роль: з одного боку, вони виконують функцію пересування пробного тіла в досліджуваному полі, а з іншого боку - модулюють відбитий від струни сигнал, що дозволяє виділити корисний сигнал, відбитий від струни, на тлі відбитків від навколишніх об'єктів. З метою з'ясування можливостей методу були проведені контрольні виміри розподілу поля на вже відомих об'єктах, усі вони показали достовірність і застосовність запропонованого методу [1].

Другий розділ “Факельний розряд при подаванні газу по міжелектродному проміжку” присвячено дослідженню феноменології розряду та з'ясуванню причини його сталості, досліджені енергетичні характеристики розряду та розподілу температури нейтральних часток газу [2,7,9,10,11].

При подаванні газу по міжлектродному проміжку в плазмотроні виникає розряд циліндричної форми, який є продовженням внутрішнього провідника. При відсутності розряду поле з коаксіалу практично не випромінюється, а провисає лише на відстань меншу одного міліметра від сопла. При запалюванні розряду поле сильно зростає, різко окреслюються границі розряду, причому за межами розряду поля практично немає. Мікрохвильові вимірювання показали, що основна частина підведеної від генератора НВЧ потужності витрачається на іонізацію газу і підтримку іонізованого стану, певна частина потужності відбивається від плазми назад у хвилеводний тракт (35-15%) і лише ?1-2% потужності випромінюється плазмою як антеною.

За своєю структурою розряд не є однорідним, а складається з яскравого каналу, дифузної оболонки і тонкого темного простору, що їх розділяє. При всіх режимах живлення плазмотрона діаметр каналу d залишається незмінним, d?0.6-0.7 мм, що в умовах постановки експерименту дорівнює величині скинового шару для довжини хвилі, що створює розряд (л=3 см). Діаметр розряду при цьому d<<л, а його довжина L приблизно в три рази менше від довжини хвилі у вільному просторі. Концентрація електронів у розряді n_e>n_eкр, і все це дає нам підстави припустити, що розряд може підтримуватися поверхневою електромагнітною хвилею, як і у сурфатроні.

При теоретичному розгляді такий розряд НВЧ плазмотрона можна представляти у вигляді нескінченного довгого плазмового циліндра з постійним радіусом a і з діелектричною проникністю е₁, який знаходиться в безмежному повітряному середовищі (е₂=1). Дисперсійне рівняння, що описує поширення іонізуючої поверхневої електромагнітної хвилі з круговою частотою щ у такій структурі з урахуванням зіткнень часток н може бути представлене в наступному вигляді:

де - плазмова частота; ; ; =1,2; , - модифіковані функції Бесселя першого роду; , - функції Макдональда. Вирішуючи це рівняння чисельно, одержимо залежності величини сповільнення електромагнітної хвилі х/с від відношення квадратів плазмової частоти до частоти іонізуючої хвилі для тонкого плазмового циліндра a/л=0.01 і для плазмового циліндра великого радіуса a/л=3. Як видно з Рис.3, у реальних умовах створення плазми для циліндра з a/л=3 зіткнення сильно обмежують можливість поширення сповільненої плазмової хвилі, її швидкість практично дорівнює швидкості світла. На противагу цьому для a/л=0.01 (що і реалізується в плазмотроні), незважаючи на наявність зіткнень (криві 2 і 3), має місце сповільнення хвилі, що навіть при н/щ=1 може досягати значення 0.1. В умовах постановки експерименту при =80-300 можна одержати уповільнення х/с?0.5-0.7.

Порівняємо амплітудно-фазовий розподіл поля НВЧ хвилі, що поширюється уздовж осі каналу розряду і хвилі уздовж металевого аналога плазми - мідного дроту з такими ж довжиною та діаметром, що і розряд у плазмотроні. У випадку металевого аналога на розподіл поля сильно впливає хвиля, що відбивається від кінця дроту - фаза поля біля сопла залежить від довжини дроту і змінює своє положення при зміні довжини провідника (стояча хвиля). У той же час розподіл НВЧ поля у плазмі, незалежно від довжини розряду, завжди має максимальне значення біля сопла і поступово загасає до кінця розряду. При цьому інтенсивність випромінювання плазми як антени на два порядки менша, ніж інтенсивність випромінювання мідного провідника з такими ж геометричними розмірами. Це свідчить про відсутність відбитої від кінця плазми хвилі, про великі втрати НВЧ потужності в плазмі розряду, тобто про добре узгодження плазмового потоку з НВЧ трактом і встановленні в розряді загасаючої хвилі, що біжить. Розгляд характеру розподілу хвиль уздовж металевого аналога і плазми дозволяє визначити довжини хвиль, що поширюються. Довжина хвилі уздовж металевого провідника відповідає довжині хвилі у вільному просторі (л=31 мм), а довжина хвилі, що поширюється в каналі розряду, виявляється в два рази менша (л16 мм). Отже, фазова швидкість хвилі х_ф у випадку плазми виявляється приблизно в 2 рази меншою, ніж у вільному просторі, що і збігається з теоретичним розглядом можливості поширення в каналі розряду уповільненої хвилі. Таким чином, уповільнена електромагнітна хвиля, яка поширюється та спрямовується уздовж каналу розряду, підтримує іонізацію аргону і сама створює собі “хвилевід” для поширення, забезпечуючи стале існування розряду.

Встановлення просторового розподілу температури нейтрального газа в досліджуваному розряді викликає чимало труднощів в експерименті. Через малі розміри розряду точне вимірювання за допомогою термопари по об'єму розряду провести неможливо - термопара сильно збурює розряд. У дисертації запропоновано проводити вимірювання за допомогою термоопору, виконаного з тонкого дротика з Ni, що на відміну від інших металів (Wo, Mo) не окислюється при підвищених температурах і витримує тривалий цикл вимірювань. Завдяки малому діаметру (d_провd) дротик при введенні у розряд зовсім не збурювала його. За допомогою запропонованої методики отримані профілі розподілу температури нейтрального газу в розряді для різних режимів живлення плазмотрона. Вони показали, що навіть при максимумі підведеної потужності температура газу не перевищує 500 ⁰С, а характер розподілу температури уздовж розряду різниться для декількох довжин плазми. Для малих довжин (L=1-5 мм) спадання температури від сопла до кінця розряду різке, а для більших довжин (L=6-10 мм) розподіл рівномірний, і в цілому температура для більших довжин нижча. Загальне зниження температури газу при великих довжинах відбувається не тільки за рахунок перерозподілу тепла на більшу довжину, але і за рахунок збільшення швидкості протікання аргону, у результаті якого відбувається втрата заряджених часток та теплової енергії з плазмового утворення.

В третьому розділі “Факельний розряд при подаванні робочого газу по каналу у внутрішньому електроді” виявлено, що в розряд має структуру, відмінну від розряду, що формується при продуві газу по міжелектродному проміжку [3,5,6,9,10,13]. У цьому випадку в залежності від витрати аргону розряд може приймати кілька форм - шнурову, у формі декількох шнурів і у формі факела. Для пояснення утворення цих форм у розділі 3 розглядається витікання динаміка струменя холодного газу із сопла плазмотрона, у ролі якого виступає отвір у внутрішньому електроді. Як відомо з газової динаміки, струмінь, що випливає із сопла круглого перетину, складається з різних ділянок. На початковій ділянці струменя існує так зване потенційне ядро струменя, що на відміну від інших ділянок містить чистий, ще не змішаний з атмосферним повітрям аргон. У випадку дозвукового струменя довжина потенційного ядра x приблизно визначається по простій формулі x=4.44 D (D - діаметр отвору у внутрішньому електроді). При запаленні розряду він народжується на периметрі внутрішнього електрода і витікає уздовж границі потенційного ядра, де є аргон, який легко іонізується. При цьому максимально можлива довжина розряду L_max обмежується довжиною потенційного ядра x. При досягненні вершини потенційного ядра розряд не може зростати й далі, він упирається в область, де аргон змішаний з азотом, що важко іонізується. Тому на периметрі електрода з'являється ще один шнур, що також розвивається в потенційному ядрі. З подальшим збільшенням витрати шнурів стає усе більше і, нарешті, вони зливаються. Таким чином, розряд приймає факельну форму, точніше, форму порожнистого конуса. У поперечному розподілі електромагнітного поля в центральній частині існує провал, “яма”, що виявляється при наближенні до сопла і зникає при віддаленні від нього. Таким чином, на близьких відстанях від сопла розряд формується лише на поверхні потенційного ядра струменя газу.

Завдяки існуванню розряду в кількох формах залежності довжини розряду і напруженості НВЧ поля в ньому набувають специфічної форми. На відміну від таких же залежностей при подаванні газу по міжелектродному проміжку, вони мають чіткі мінімуми і максимуми, що відповідають переходу розряду зі шнурової до факельної форми. Зміни діаметра отвору у внутрішньому електроді підтверджують вплив потенційного ядра струменя холодного газу на формування структури розряду. Збільшення діаметра отвору у коаксіалі веде до збільшення довжини розряду, що узгоджується зі співвідношенням x=4.44 D. Відзначимо, що напруженість НВЧ поля в мінімумі Е_min пропорційна діаметру отвору в соплі. Сам інтервал переміщення мінімуму Е_min є досить вузьким, навіть при зміні діаметра майже в 5 разів. У той же час швидкість молекул аргону в інтервалі зміни діаметра отвору змінюється на два порядки, і розряд існує у всьому цьому великому діапазоні. Величини Е_min добре лягають на одну пряму. Це вказує на те, що зміна швидкості газу не є визначальною ні в зміні довжини розряду, ні в змінах напруженості поля в ньому, а визначаються структурою потоку саме холодного газу.

В четвертому розділі “Електродний НВЧ розряд” виявлено можливість створення дотепер невідомого НВЧ розряду атмосферного тиску, що збуджується в третій моделі плазмотрона на кінці штиря-антени, довжина якого приблизно л/4 [4,12].

У залежності від режимів живлення розряд у плазмотроні може існувати в декількох формах. При витраті аргону Q>0.7 л/хв плазмове утворення, незалежно від величини підведеної потужності, має форму класичного факельного розряду. Його структура відповідає структурі розряду, що створюється при подаванні газу по міжелектродному проміжку, і має форму циліндра з каналом, що яскраво світиться. Зі зменшенням витрати аргону до Q<0.65 л/хв розряд приймає форму сфери, яка розташована на кінці антени (Рис. 8, а). Якщо зафіксувати витрату невеликої величини, а підведену потужність й надалі збільшувати, то розряд структурується в азимутальній площині. Замість одиничної сфери навколо штиря-антени з'являється декілька симетрично розміщених сфер. Кількість сфер зростає зі збільшенням підведеної потужності, однак діаметр окремої сфери зменшується. Одночасно з появою сфер зростає коефіцієнт поглинання НВЧ потужності в розряді (Рис. 8, б). Стрілочками показані рівні потужності, при яких виникнення даної кількості сфер (дві, три, чотири) найбільш ймовірне. Це явище структурування НВЧ розряду пояснюється так. Збільшення потужності, що поглинається розрядом, супроводжується зростанням електронної концентрації, що викликає зменшення глибини скінового шару для електромагнітної хвилі і, відповідно, викликає зменшення діаметра плазмових сфер. Таким чином, причиною структурування розряду є вибір найбільш енергетично вигідної форми, тобто такої, яка забезпечує стійке існування НВЧ розряду.

електромагнітний розряд нвч плазмотрон

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено експериментальні результати, отримані при дослідженні електромагнітних полів і структури НВЧ розряду, що сформований коаксіальним НВЧ плазмотроном, у трьох різних моделях плазмотрона, які розрізняються способом подавання газу. Основні висновки зводяться до такого:

Запропоновано і випробувано на практиці нову методику візуалізації полів міліметрового і сантиметрового діапазону довжин хвиль, яка базується на використанні слабкого збурювального тіла у вигляді вібруючої струни, що дозволяє спостерігати картину поля в реальному масштабі часу.

За допомогою методу вібруючої струни експериментально доведено наявність сповільненої поверхневої хвилі, що поширюється уздовж розряду, створюваного НВЧ плазмотроном, і визначені її параметри. Проведений теоретичний аналіз явища поширення хвилі уздовж осі центрального каналу підтвердив результати експерименту.

Вперше встановлено характер розподілу НВЧ поля в розряді коаксіального НВЧ плазмотрона і досліджено зв'язок його поведінки з особливостями конструкції і режимами роботи плазмотрона.

Встановлена відмінність у феноменології НВЧ розрядів, створюваних у коаксіальному НВЧ плазмотроні при подаванні газу по міжелектродному проміжку і при подаванні його по каналу у внутрішньому електроді. Виявлено, що в першому випадку розряд має тільки факельну форму, незалежно від режимів роботи плазмотрона, а в другому випадку розряд може приймати шнурову чи факельну форму в залежності від величини витрати аргону. Ці результати спостереження пояснені з залученням понять газової динаміки струменів, що витікають із круглого отвору.

Встановлено, що розряд поглинає більшу частину підведеної до нього потужності практично при всіх режимах живлення, причому виявлені умови максимального поглинання (до 80-90%) НВЧ потужності в розряді при фіксованому рівні витрат плазмостворювального газу.

Вперше прямим способом виміряно температуру газу безпосередньо в плазмі НВЧ розряду й отримано профілі розподілу температури Т_г уздовж осі розряду при продуві газу по міжелектродному проміжку.

Виявлено новий тип електродного розряду, що збуджується при атмосферному тиску. Він створюється в моделі НВЧ коаксіального плазмотрона, у якому внутрішній провідник коаксіалу продовжений у вільний простір як штир-антена. Виявлено, що з підвищенням рівня підведеної потужності НВЧ розряд структурується у вигляді сфер по азимутальній координаті, що супроводжується збільшенням коефіцієнта поглинання потужності. Доведено, що причиною структурування розряду є вибір плазмовою структурою енергетично вигідної форми.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ АВТОРА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кириченко А.Я., Суворова О.А. Визуализация поля в ближней зоне излучателей СВЧ с помощью вибрирующей струны // Радиофизика и электроника. - 2000. - т.5, №1. - С.31-35.

2. Кириченко А.Я., Моторненко А.П., Русанов А.Ф., Суворова О.А., Яковенко В.М. Электромагнитное поле в плазменной струе СВЧ плазмотрона // ЖТФ. - 2001. - т.71, №4. - С.23-27.

3. Кириченко О.Я., Моторненко О.П., Суворова О.О. Вплив режимів роботи на електромагнітні поля НВЧ плазмотрона // УФЖ. - 2001. - т.46, №7. - С. 689-693.

4. Кириченко А.Я., Мартынюк С.П., Моторненко А.П., Скуратовский И.Г., Суворова О.А. Инициированный сферический СВЧ разряд при атмосферном давлении // Письма в ЖТФ. - 2002. - т. 28, вып. 15. - С.55-60.

5. Кириченко А.Я., Моторненко А.П., Суворова О.А. Структура разряда, формируемого СВЧ коаксиальным плазмотроном при подаче газа по каналу во внутреннем электроде // Физика плазмы. - 2003. - т.29, №6. - С. 566-572.

6. Кириченко А.Я., Моторненко А.П., Суворова О.А. Влияние струи плазмообразующего газа на структуру разряда в СВЧ плазмотроне // Радиофизика и электроника. - 2001. - т.6, №2-3. - С. 252-255.

7. О.А. Суворова. Енергетичні характеристики розряду НВЧ // Вісник Львів. Ун-ту, сер. фізична. - 2001. - вип. 34. - С. 296-301.

8. A.Ya. Kirichenko, O.A. Suvorova. Vibratory string as a perturbation body to a measurement electromagnetic field of microwave radiators. // Proc. Third International Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves" (MSMW 98). - Kharkov (Ukraine). - 1998. - Vol.2. - P. 742-743.

9. Кириченко А.Я., Моторненко А.П., Суворова О.А. Измерение СВЧ полей в струе плазмотрона. // Материалы 10^ой Крымской Междунар. конф. "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМико 2000). - Севастополь (Украина). - 2000. - С.501-502.

10. Кириченко А.Я., Суворова О.А. “Интегральные электродинамические характеристики коаксиального СВЧ плазмотрона” // Материалы 11^ой Крымской Междунар. конф. "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", (КрыМико 2001). - Севастополь (Украина). - 2001. - С. 228-229.

11. О.А. Суворова. Енергетичні характеристики розряду НВЧ. // Тези доповідей Міжнар. конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Евріка - 2001”. - Львів (Україна) - 2001. - С. 69.

12. О.Суворова. Явище структурування факельного надвисокочастотного розряду. // Збірник тез Всеукраїнської конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Евріка - 2002”. Львів (Україна). - 2002. - С. 167-168.

13. Кириченко А.Я., Моторненко А.П., Суворова О.А. Поля и структура неравновесного разряда СВЧ плазмотрона. // Материалы 12^ой Крымской Междунар. конф. "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМико 2000). - Севастополь (Украина). - 2002 - С.217-218.

Размещено на Allbest.ru