Один из широко распространенных методов достижения высоких температур основан на использовании газовых разрядов в качестве нагревательного элемента. Локализованные газовые разряды нормального и высокого давления-это наиболее концентрированные и высокотемпературные источники тепловой энергии.
Таким источником является одноэлектродный высокочастотный разряд [1,2], дополняющий классифицированный ряд широко известных разрядов: дугового [3], коронного [4], сверхвысокочастотного (СВЧ) [5], высокочастотного емкостного и индуктивно-связанного [6].
Описание самостоятельного разряда, имеющего непосредственный контакт с одним электродом, впервые было осуществлено С. И. Зилитинкевичем в 1928 г. [7]. Наблюдаемый им разряд представлял собой светящийся вертикальный, в начале расширяющийся к верху, а затем — сужающийся столбик, похожий на пламя факела или свечи. Благодаря такой форме этот газовый разряд стали называть факельным. Также этот разряд называют униполярным, моноэлектродным, одноэлектродным. Такие названия обусловлены принципом передачи ВЧ-мощности в плазму посредством одного острийного электрода. Наиболее часто в научной литературе используются два названия: факельный разряд [1,7−11] и одноэлектродный разряд [2,12−15]. Чтобы подчеркнуть, что плазма разряда находится в переменном электрическом поле с частотой более 3 МГц используется дополнение — высокочастотный. При сохранении принципа передачи ВЧ-мощности форма плазменного канала может существенно отличаться от формы пламени свечи или практически совпадать с формами других плазменных образований, поэтому название — одноэлектродный высокочастотный (ОВЧ) разряд — более обоснованное и по сути отражает отличительный признак данного разряда от других известных разрядов при условии, что разряд как сложное явление представляет собой совокупность взаимодействующих между собой подсистем, таких как плазменный канал, тепловой пограничный слой, приэлектродная зона, неизотермический поток за свободным концом плазменного канала и т. д. Поэтому в работе используется основное определение — ОВЧ-разряд, а разновидности ОВЧ-разряда классифицируются по режимам горения, состоянию плазмы, по роду плазмообразующего газа.
ОВЧ-разряд зажигается при амплитуде высокочастотного напряжения от 3 до 11 кВ при частотах от 6 МГц и выше [7,11]. В связи с тем, что второй конец факельного разряда является свободным, обычно используется гипотеза замыкания цепи на землю емкостным током и предполагается, что ионизация газа в горящем разряде поддерживается благодаря току, замыкаемому емкостным током [11].
ОВЧ-разряд с момента его открытия исследовался в основном по следующим направлениям:
1) исследование влияния различных факторов (формы, материала электрода, рода плазмообразующего газа) на свойства разряда [7,11];
2) исследование характеристик плазмы разряда (температура, концентрация электронов) [8−10];
3) изучение влияния внешних электростатических полей на свойства и поведение разряда [11,15];
4) исследование амплитудно-модулированной плазмы разряда [1,10];
5) изучение механизмов высокочастотного пробоя газов в ограниченном пространстве (в геометрии острие-плоскость или острие-острие) [12−15];
6) теоретическое изучение некоторых вопросов теплопередачи и поведения электронов в неравновесной плазме [8,11,16].
В таблице № 1 представлены основные результаты [1,2,7−16] исследований свойств ОВЧ-разряда, горящего в различных плазмообразующих газах при нормальном давлении.
Из экспериментальных исследований следует, что структура ОВЧ-разряда и его размеры определяются свойствами плазмообразующего газа и уровнем вводимой мощности. ОВЧ-разряд может гореть в различных плазмообразующих газах в широком диапазоне изменений мощности и давлений (10−12 105) Па.
При нормальном давлении в зависимости от рода газа и условий теплоотвода энергии плазма разряда является неравновесной (электронная температура составляет (6000^7500) К, а газовая — (3300-^4500) К). Степень ионизации плазмы для электронной плотности (101б-н1019)м~3 может изменяться в широком диапазоне значений от 10 до 10 4. В молекулярных газах плазменный канал ОВЧ-разряда ведет себя как активная нагрузка, т. е. почти вся поступающая мощность поглощается плазмой. Токоведущий канал представляет собой плазменное образование с отношением длины / к его нормальном давлении в плазменном канале на приэлектродном участке температура составляет (3300-^4300) К, в конце ~ 2600К и в оболочке порядка (2000;3000)К. Вольтамперная характеристика ОВЧ-разряда имеет восходящую ветвь.
Из анализа результатов исследований, проводимых в ТГУ (г.Тарту) под руководством Куду К.ф. [2], следует, что зажигание ОВЧ-разряда имеет ряд особенностей в зависимости от частоты электромагнитного поля, давления газа, размеров разрядного промежутка. Показано, что самостоятельное зажигание разряда происходит при напряжении на электроде более 7.3 кВ [15], а пространственная структура импульсного ВЧ-разряда определяется стримерами, развивающимися сначала с острия, а потом с вершины основного канала в положительных полупериодах. Также отмечено, что высокочастотный пробой в газе может произойти в течение малой доли полупериода, когда напряжение близко к амплитудному значению.
Для теоретического описания стационарного ОВЧ-разряда была предложена эквивалентная схема [11], состоящая из последовательно соединенного омического сопротивления с емкостью, создаваемой плазменным каналом и металлическим экраном. Интерес представляет электродинамическая модель ОВЧ-разряда, предложенная А. В. Качановым и Е. С. Треховым [8,9], согласно которой канал разряда представляет собой столб плазмы с распространяющейся по нему электромагнитной волной, а мощность, выделяющаяся при этом, рассеивается за счет радиальной теплопроводности.
Экранировка разряда приводит к увеличению постоянной затухания по сравнению со свободным разрядом и. следовательно, к увеличению мощности плазмотрона. В дальнейшем Качановым А. В. высказана гипотеза о возможности радиусу.
В воздушном ОВЧ-разряде мощностью (20-^-2000) Вт при.
ПАРАМЕТРЫ ОВЧ-РАЗРЯДА.
ПлазмоЧастота МощРадиус Длина ПроводиГазовая ЭлектТок в НапряНапряКонценобразу- /•ю-6 ность канала канала мость темперонная разряде жение в жентрация ющии газ Ро гк-102 4-ю2, СГ-102 ратура тг • ю-3 температура те ¦ Ю-3 'о разряде С/-1(Г3 ность поля Е ¦ Ю-2 электронов ИеЛ<�У*.
ГЦ Вт м м См/м к к, А в В /м м-3 воздух 6−20 500−900 — 15−20 — - - - - - воздух 12−100 20−200 0,14−0,34 0,3−3,6 — 3,3−4,3 — 0,01−0,14 — - воздух 30 — - - - 3,8−4,2 — - - 300−500 5- 1010-Юп азот 30 30 — - - 3,8 — - - - 10Н. Ю12 воздух 8,7 15−308 — - - - - 4- 10″ 3−9 • 10″ 2 3,6−4,4 — воздух 40 — - - - 3,5 7,0 1,24 — ;
Аг + Н2 34 500−600 — - - 0,9 7,4 — - - 3,2- 10 131,5- 1014.
Ые2 + Н2 34 500−600 — - - - 7,8 — - - (0,7−1,9) • 1014 гелий 26 100 — - - 0,9 25,0 — - - 1,2* 1015 -3,0- 1015 воздух — - - - - 3,8−4,3 — - - - азот — - - - - 4,0 — - - - аргон — - - - - 1.4 — - - - воздух — - - - - 3,0−5,0 6,5 — - 300−500 аргон — - - - - 1,4−2,0 6,0−7,0 — - 12−13 воздух 37 920 в, 17 — 1,23 3,8 — - - 500 7- 10″ .
N2 37 1020 0,25 — 1,5 5,2 — - - 400 6* 10]2 со2 37 800 0,14 — 0,63 — - - - - ' з-10″ .
СО 37 670 0,10 — 1,06 — - - - - 1,5- 1012 о2 37 750 0,15 — 0,82 — - - - - 1,3- 1012 воздух 40 200−800 — - - 3,5−3,9 — - - - воздух 40 — - 5−22 — - - 0,8−1,6 — - воздух — 150−1000 0,06−0,18 3,1−28 — - - - - - многократного уменьшения длины электромагнитной волны внутри токоведущего канала [9].
Стабилизированный продувом газа ОВЧ-разряд исследуется в ТПУ (г.Томск) под руководством профессора Тихомирова И. А. с целью использования его для генерации плотных плазменных струй. Разработаны одноэлектродные и двухэлектродные аппараты — ОВЧ-плазмотроны [1,10]. В конструктивном исполнении ОВЧ-плазмотрон представляет собой стержневой водоохлаждаемый электрод, соединенный посредством изолятора с металлической разрядной камерой. В ряде случаев для лучшей стабилизации ОВЧ-разряда внутри металлической разрядной камеры устанавливается кварцевая труба, а для повышения мощности ОВЧ-плазмотрона осуществляется замыкание второго конца разряда на стенку разрядной камеры. ОВЧ-плазмотрон может выполнять функцию не только генератора плазмы, но и реактора, когда теплоноситель и реагенты в газовом виде подаются в плазмотрон. Сочетание осевого и вихревого движения газа обеспечивает разнообразие технологических режимов и приемов при ведении технологических процессов. К недостаткам ОВЧ-плазмотронов следует отнести наличие эрозии материала электродов, тепловых потерь мощности на водоохлаждаемых электродах, а также отсутствие надежной системы поджига разряда при высоком давлении. Конструкции ОВЧ-плазмотронов обеспечивают высокую герметичность и механическую прочность. Это создает ряд преимуществ при их использовании в технологических процессах по переработке химически агрессивных и токсичных веществ.
Специфика развития теоретических и экспериментальных исследований ОВЧ-разряда состояла в том, что зачастую недостаточное внимание уделялось общей структуре и закономерностям неравномерных течений, слабо использовался опыт, накопленный исследователями газовых струй и автоколебательных систем (АКС). Поэтому отсутствуют исследования процессов газодинамики и теплообмена как внутри плазменного канала, так и между плазменным каналом и окружающим его тепловым пограничным слоем. Нет исследований по теории и моделированию ОВЧ-разряда и его источников питания — АКС, которые с наибольшей полнотой и определенностью отражали бы физические процессы в открытом и экранированном ОВЧ-разряде. Не изучены механизмы пространственного распределения температуры во всем объеме плазменного канала, включая поверхность раздела плазма-газ.
Отсутствие второго электрода вносит специфику в управление характеристиками ОВЧ-разряда и организует в нем новые механизмы взаимодействия тепловых, газодинамических, акустических, электромагнитных процессов и механизмы воздействия на внешние объекты. ОВЧ-разряд с учетом своих особенностей может быть использован в создании новых приборов и технологий.
Проблема получения ОВЧ-разряда с заданными свойствами, формами, с расширенным управлением удельной энергии является ключевой при реализации многих наукоемких приборов и технологий. Для реального применения необходимо выявить объективные закономерности, определяющие тепловые и газодинамические процессы взаимодействия плазменных каналов с окружающей средой, реконструировать физическую картину течений в целом.
Таким образом, актуальность исследований ОВЧ-разряда обусловлена:
— потребностью в данных о механизмах формирования плазменных каналов в пространственно-неоднородном высокочастотном электрическом поле, о пространственных структурах стационарного, амшштудно-модулированного, импульсного ОВЧ-разрядов и их устойчивости к внешним изменяющимся условиям, о тепловых и газодинамических полях во всем объеме ОВЧ-разряда, включая поверхность раздела плазма-газ;
— потребностью в высокочастотных методах диагностики газо-плазменных потоков и в измерениях амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик ОВЧ-разряда и АКС;
— потребностью в специальных высокочастотных АКС, осуществляющих управление удельной энергией в широком диапазоне при сохранении устойчивости открытого и экранированного ОВЧ-разряда;
— потребностью в одноэлектродных высокочастотных (ОВЧ) плазмотронах с системой поджига и возможностью получения разных режимов горения ОВЧ-разряда.
Цель работы.
Цель диссертационной работы состояла: в выявлении объективных закономерностей, ответственных за формирование пространственно неоднородных тепловых и газодинамических полей во всем объеме свободного и экранированного ОВЧ-разряда;
— в разработке методов расчета процессов протекания теплообмена в плазменном канале, на поверхности раздела плазма-газ и тепловых пограничных слоях;
— в разработке автоколебательных систем с расширенным диапазоном управления параметрами нагрузки;
— в разработке миниатюрных и повышенной мощности ОВЧ-плазмотронов для их использования в технологиях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые исследованы газодинамические потоки, создаваемые ОВЧ-разрядом, с детализацией зон и структур. Обнаружены отрывные течения и переходные зоны, продольное и поперечное расслоение плазменных каналов с образованием многоструйных течений при сложной динамике развития. Измерены скорости газовых потоков и плазмы с помощью метода лазерной доплеровской анемометрии и специально разработанного метода фоторегистрации. Восстановлена картина пространственного распределения скорости потоков в условиях естественной и вынужденной конвекции. Разработан аналитический метод решения нелинейных дифференциальных уравнений газодинамики, с помощью которого рассчитаны распределения скорости потока с учетом сил вязкого трения.
2. Проведены измерения поля температур в плазменном канале и тепловом слое. Обнаружено, что в стационарном ОВЧ-разряде радиальный профиль температуры имеет провал на оси, а максимальное значение температуры в плазме наблюдается на заметном расстоянии от острия электрода. Создан метод замыкания конечных соотношений при решении радиально симметричной задачи теплообмена.
3. Впервые получены диффузная, шаровая, многоканальная и т. д. формы устойчивых плазменных образований в самостоятельном ОВЧ-разряде. Разработаны способы преобразования одной формы плазменных образований в другую и способы устойчивого горения ОВЧ-разряда с взаимодействующими между собой плазменными образованиями различной проводимости и температуры.
4. Реконструирован механизм поэтапного формирования маломощного открытого ОВЧ-разряда, заключающегося в том, что на определенном расстоянии от острия электрода возникает плазменный ореол, который увеличивается в размерах с одновременной перестройкой профиля температуры и перемещением как целого к острию электрода, затем формируется тепловой слой и возникают конвективные потоки, способствующие увеличению длины плазменного канала и его стабилизации, а за концом плазменного канала возникают упорядоченные структуры.
5. Обоснован единый подход к решению уравнения энергии при комбинированном теплообмене. Реализован новый метод восстановления пространственного распределения температуры и удельной энергии в условиях существенно нелинейной функциональной связи с управляющим параметром и сложном профиле плазменного канала.
6. Разработаны АКС для получения стационарных и амплитудно-модулированных ОВЧ-разрядов с предыонизацией. Впервые разработаны АКС для получения ОВЧ-разряда с самовозбуждением.
7. Разработаны особые приемы значительного повышения концентрации электронов в плазме, основанные на сжатии импульсно-периодического и амплитудно-модулированного ОВЧ-разрядов диэлектрическим капилляром с внутренним диаметром более 20 мкм.
8. Впервые экспериментально исследовался неравновесный ОВЧ-разряд с самовозбуждением. Получены новые экспериментальные данные спектра излучения плазмы и внутренней структуры плазменных каналов. Разработаны способы управления режимами горения ОВЧ-разряда, основанные на импульсно-периодической подаче ВЧ-мощности в плазму, изменении топологии электрода и газодинамической обстановки в приэлектродной зоне.
Новизна разработанных способов и плазменных систем подтверждается авторскими свидетельствами и патентами.
При реализации каждого этапа научных и прикладных исследований диссертационной работы созданы предпосылки нового научного направленияфизика устойчивого низкотемпературного ОВЧ-разряда.
На защиту выносятся:
1. Результаты экспериментальных и теоретических исследований тепловых, газодинамических полей, внутренней структуры ОВЧ-разряда и его механизмов формирования, позволивших установить, что: формирование ОВЧ-разряда высокого давления происходит из плазменных образований малого масштаба, возникающих на определенном расстоянии от острия электрода;
— плазменные каналы стационарного, импульсно-периодического ОВЧ-разрядов с пространственно неоднородными полями температуры ограничены от горячего газа неизотермическими поверхностями (ТП0ВФ const) при температурном факторе TQ / Т* < 2.2 и средней мощности, выделяемой на.
Го единице длины Рп< 5.3S0 (So = о.
— увеличение температурного фактора в центральном плазменном канале Т0 / Т* > 1.4 приводит к скачкообразному переходу с образованием плазмы нового состояния;
— в стационарном ОВЧ-разряде продольная скорость потоков независимо от своего начального значения возрастает не более чем в 7 раз;
— продольное расслоение плазменного канала происходит при образовании в радиальном профиле температуры провала, вызванного либо изменением газодинамической обстановки в приэлектродной зоне, либо действием амплитудной модуляции.
2. Неравновесные устойчивые ОВЧ-разряды с самовозбуждением, возникающие в среде при подаче на электрод радиоимпульсов длительностью (6-н200)мкс и частоте повторения (1(Г4-кЮ)кГц, среди которых:
— ОВЧ-разряд с трехслойным плазменным каналом различных форм и с вращающимися внешними слоями:
— ОВЧ-разряд атмосферного давления устойчивый в сверхзвуковых потоках, высокотемпературных потоках, в парогазовых смесях;
— ОВЧ-разряд с шароподобными образованиями на плазменных каналах.
3. Комплекс высокочастотных АКС мощностью (10″ 3-г20) кВт, включающий:
— одноконтурные и многоконтурные АКС с управлением параметрами ОВЧ-разряда;
— релаксационные АКС с положительным смещением на управляющем электроде триода;
— метод расчета АКС с учетом отстройки и расстройки АЧХ и ФЧХ.
4. Комплекс ОВЧ-плазмотронов с диэлектрическими и металлическими разрядными камерами, включающий:
— ОВЧ-плазмотрон со стержневым электродом, обеспечивающий получение внутри разрядной камеры контрагированную, диффузную и шаровую форму плазменного образования;
— ОВЧ-плазмотроны мощностью до 20 кВт с кольцевыми и полыми электродами с системой поджига и вихревой стабилизации ОВЧ-разряда;
— капиллярные ОВЧ-плазмотроны с повышенной степенью ионизации газа в диэлектрических капиллярах диаметром (20н-500)мкм.
Достоверность выводов диссертации обеспечивается:
— высокой точностью используемых методов диагностики плазмы и газодинамических потоков;
— прямым сопоставлением расчетных данных с данными физического экспериментасовпадением полученных режимов горения ОВЧ-разряда с предсказанными теоретическими расчетами.
Научная и практическая значимость.
1. Неравновесный ОВЧ-разряд с самовозбуждением и повышенной устойчивостью может быть использован: для создания новых типов плазменных спектрометров и в качестве учебного пособия при изучении физики плазмы и в разнообразных технологиях (обработка бумаги, тканей, диэлектрических материалов, очистка и изменение свойств полупроводниковых материалов, резка стекла, сварка кварцевых световодов и т. д.).
2. Созданные АКС для получения открытого и экранированного ОВЧ-разряда могут найти применение в качестве физиотерапевтических и электрохирургических медицинских приборов при проведении сложных хирургических операций на сердце, легком, почках, печени, внутри половых органов, для лечения десятка кожных заболеваний.
3. ОВЧ-плазмотроны могут быть использованы в плазмохимических технологиях при организации процесса физико-химических превращений непосредственно в высокочастотной плазме. Капиллярные ОВЧ-плазмотроны могут быть использованы для получения озона, окислов азота, новых веществ, а также в качестве капиллярных источников света и капиллярных лазеров.
4. Амплитудно-модулированный ОВЧ-разряд может найти применение в качестве акустического излучателя, газовой линзы или рефлектора для управления лазерным излучением.
5. Разработанные методы диагностики газо-плазменных потоков могут быть использованы в исследованиях квазистационарных газовых разрядов высокого давления.
6. Полученные теневые фотографии и созданные видеофильмы могут служить иллюстрациями для формулирования новых теорий плазменных и газодинамических течений.
7. Аналитические методы восстановления одномерного и двумерного тепловых полей универсальны и позволяют описывать пространственное распределение температуры в разнообразных тепловых неоднородностях, включая разряды, пламена, разогретые цилиндрические тела.
Диссертация состоит из введения, семи глав, приложения, заключения и списка цитированной литературы. В ней принята двойная нумерация формул по главам: первая цифра соответствует номеру главы, вторая цифрапорядковому номеру формулы.
Список литературы
составлен общим.
4.9. Выводы.
С использованием оптических, лазерных, электродинамических пассивных методов диагностики проведены комплексные исследования ОВЧ-разряда. Получена конкретная информация о свойствах ОВЧ-разряда.
Реконструирован механизм поэтапного формирования маломощного ОВЧ-разряда, заключающийся в том, что на определенном расстоянии от острия электрода возникает плазменный ореол, который увеличивается в размерах с одновременной перестройкой профиля температуры и перемещением как целого к острию электрода, затем формируется тепловой пограничный слой и возникают конвективные потоки, способствующие увеличению длины плазменного канала и его стабилизации, а за концом плазменного канала возникают упорядоченные структуры.
В стационарном режиме плазменный канал представляет собой единое целое с пространственно неоднородным распределением температуры или состоит из 2−3 осесимметричных плазменных слоев по форме близких к форме эллипсоида вращения и разделенных четко выраженными контрастными поверхностями. Поверхность раздела плазма-газ является неизотермической. Плазменный канал окружен тепловым пограничным слоем радиусом, превышающим радиус плазменного канала в 1.6-нЗ.О раза, причем увеличение толщины теплового слоя происходит с увеличением продольной скорости при относительно слабом уменьшении радиуса плазменного канала. За концом плазменного канала формируются либо упорядоченные структуры, либо турбулентный поток. В приэлектродной области в плазменном канале может возникать воронка, значительно увеличивающая площадь контакта плазменного пятна с поверхностью электрода через прослойку относительно холодного газа толщиной (15СМ-200)мкм.
В квазистационарных ОВЧ-разрядах мощностью более 50 Вт в тепловых слоях под действием смешанной конвекции формируются отрывные течения в виде вихревых колец или спиралей, которые поднимаются вверх по потоку, создавая осцилляции продольной скорости с частотой (5-^8) Гц.
Под действием амплитудной модуляции тока разряда происходят поперечные и продольные расслоения плазменного канала. Продольные расслоения плазменного канала и теплового слоя происходят за счет увеличения глубины провала в радиальном профиле температуры. В ОВЧ-разряде, сформированном под действием естественной и смешанной конвекции, значения радиальной скорости практически в 10 раз меньше значений продольной скорости, а экстремум продольной скорости имеет место на свободном конце ОВЧ-разряда. форма АЧХ и ФЧХ ОВЧ-разряда имеет два максимума, а величина относительной расстройки соизмерима с величиной относительной отстройки.
Предельное значение концентрации электронов в плазменном канале.
1 с о составляет 2 10 см, а температура электронов Те = (4500−4-8000)К.
ГЛАВА V. АНАЛИЗ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ НЕЛИНЕЙНЫХ.
АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.
5.1.
Введение
.
Для получения одноэлектродных разрядов требуются источники питанияавтоколебательные системы (АКС) и системы управления электрои газодинамическими параметрами, разработка которых в ряде случаев представляет собой сложную научную и техническую задачу.
Несмотря на большое разнообразие АКС, отличающихся принципиальными схемами, энергетическими показателями, диапазонами частот, типами нелинейных активных элементов, условиями получения плазмы при разных давлениях и плазмообразующих газах, их можно представить общей схемой, приведенной на рис. 38. В общую схему АКС входит источник вторичного электропитания (ИВЭ) (или источник постоянного тока) — регулятор мощности (РМ) — управляемый нелинейный активный элемент (УНЭ) — внешний источник (ВИ) — цепь обратной связи (ЦОС) — колебательные контуры (КК), включая промежуточные колебательные контурысогласующие цепи (СЦ) и устройства получения и удержания плазмы — одноэлектродные высокочастотные плазмотроны (ОВЧП).
Комбинация блоков УНЭ-ВИ-КК представляет собой усилитель мощности, который обеспечивает колебания, вызванные внешним воздействием. Форма вынужденных колебаний и такие их основные параметры, как амплитуда и частота колебаний, зависят от вида и параметров входных сигналов, создаваемых внешним источником (ВИ). Внешний источник может представлять собой независимый автономный высокочастотный генератор.
В этой главе проведен анализ режимов работы управляемых НАЭ. Рассмотрен метод угла отсечки для расчета режимов НАЭ. Описаны принципы работы триодного генератора. Предложен метод неизменного тока применительно для расчета режимов триода. Описана последовательность расчетов и представлены расчетные данные.
5.2. Основные параметры нелинейных активных элементов и принцип их работы.
Принципиальное значение при создании АКС имеет тип управляемого нелинейного элемента. В основном используются активные элементыэлектронные лампы, выполненные в триодном или тетродном исполнении [127 142]. Обратим внимание на основные параметры генераторных ламп. В лампах сетка расположена близко к катоду, поэтому изменение напряжения на сетке сильнее влияет на величину анодного тока, чем такое же изменение напряжения на аноде. В этом случае существенным параметром ламп является коэффициент усиления ¡-л. Коэффициент усиления [Л лампы определяется как отношение д1а1диа д]с.
Крутизна характеристики лампы, имеющая размерность проводимости, выражается следующим образом.
5 = (5.2) а.
Величина, обратная ей, п 1 <�№а.
Я=- =—, (5.3).
5 а' есть внутреннее сопротивление лампы.
Анодный ток триода есть функция двух переменных: потенциала его анода и потенциала его сетки — 1а — f (1/а,. Для описания работы лампы удобно рассматривать зависимость величины анодного тока от потенциала сетки при постоянном напряжении на аноде: а=Чиа)ияШатЛ> (5−4) и зависимость величины анодного тока от потенциала анода при постоянном напряжении на сетке: а=Фа)п=С0Ш- (5−5).
Изменение величины анодного тока триода при варьировании потенциалов электродов вблизи значений иа = иа0 и / а =1а0 может быть найдено как полный дифференциал функции Р (иа, и^:
Частная производная л• ^ а.
Частная производная и.=и.о аиЛ^ аУ и =п (сИ л ми, и.=иво г Ш л, а 1/Д. ие=иво.
5.6).
5.7).
5.8).
Принимая во внимание (5.7) и (5.8), выражение для изменения величины анодного тока лампы можно записать в виде.
5.9).
Из (5.9) видно, что приращение источника напряжения вызывает в раз большее изменение величины анодного тока лампы, чем равное приращение анодного напряжения. Величина.
Ж- =?1. (5.10).
Часто пользуются понятием проницаемости лампы — величины, обратной статическому коэффициенту усиления 1 = Ум.
5.11).
Коэффициенты Д., (Л и I) являются статическими параметрами лампы. К числу параметров, имеющих существенное значение при работе лампы с управляющей сеткой, помимо Д, //, относятся межэлектродные емкости: С (проходная «сетка-анод») и Сж (выходная «анод-катод»). ск.
Суммарный ток, идущий с катода триода, можно определить по закону степени трех вторых: где 1с — сетчатый ток, 1а — анодный ток.
Напряжение, при котором анодный ток равен нулю, т. е. Ua + julJc =0, называется напряжением отсечки Ес0 :
Ес0 = ~—. (5.13) M.
В основе своей генерирующее нелинейное устройство является преобразователем постоянного (или переменного, но иной частоты) электрического поля в энергию поля нужной частоты. Преобразование проходит в процессе электромагнитных колебаний нужной частоты в среде с отрицательным поглощением (отрицательным сопротивлением). Носителями энергии, преобразующими энергию постоянного тока в энергию высокочастотных колебаний, служат:
— либо связанные электроны, занимающие определенные энергетические уровни в атомах ионизованного газа;
— либо свободные электроны, движущиеся в вакуумированной колбе электронной лампы.
Преобразование энергии постоянного поля в энергию нужной частоты используется в автогенераторах с так называемым продольным управлением плотностью электронного потока. Такое управление возможно в триодных автогенераторах. В триодах электронный поток, создаваемый катодом, ускоряется постоянным электрическим полем, и тем самым энергия источника постоянного электрического поля преобразуется в кинетическую энергию электронов. Преобразование энергии электронов в энергию высокочастотных колебаний достигается в результате взаимодействия движущихся электронов с электрическим полем нужной частоты, вектор напряженности которого коллинеарен направлению движения электронов.
В результате взаимодействия движущихся электронов с электрическим полем нужной частоты электроны тормозятся, либо дополнительно ускоряютсяпри этом кинетическая энергия электронов либо преобразуется в энергию электромагнитного поля нужной частоты, либо происходит обратный процесс.
Преимущественная передача энергии электронов полю нужной частоты будет обеспечена, если:
— либо энергия, отдаваемая каждым электроном полю нужной частоты при его торможении этим полем, будет превышать энергию, отбираемую этим же электроном при его ускорении этим полем;
— либо число электронов, отдающих свою энергию полю нужной частоты, будет превышать число электронов, ускоряемых этим полем.
В вакуумных лампах с продольным управлением передача энергии от электронов полю достигается путем преобразования равномерного по плотности потока электронов, выходящего из катода, в поток, плотность которого меняется во времени и пространстве, и пропускания более плотных частей потока через поле нужной частоты в те моменты, когда фаза электромагнитного поля оказывается по отношению к этим более плотным частям потока тормозящей.
В триодном генераторе электроны, вылетающие из накаленного катода, образуют в прикатодном пространстве облако объемного заряда, регулирующего величину тока, проходящего к аноду. В зависимости от полярности напряжения на сетке, проходящий к аноду ток либо возрастает, т. е. увеличивается число электронов, попадающих в этот полупериод в промежуток между сеткой и анодом, либо уменьшается. Сдвиг фаз между напряжением на сетке и на аноде фиксирован и равен 180°. Поэтому в промежуток между сеткой и анодом попадает больше электронов в тот полупериод, когда переменное напряжение на аноде для электронов является тормозящим, и наоборот. Энергия, отдаваемая электронами ВЧ-полю, действующим в промежутке «сетка-анод» в тормозящий полупериод оказывается большей нежели отбираемая электронами от этого поля в ускоряющий полупериод. В среднем за период происходит передача энергии от электронов полю. Способ превращения равномерного по плотности электронного потока, выходящего из катода, в поток переменной плотности, используемый в триодном генераторе, обычно называют электростатическим. Рассматривая работу триодного генератора в ВЧ области, отметим два следующих обстоятельства:
— преобразование равномерного по плотности электрического потока, выходящего из катода, в поток, плотность которого оказывается различной в разные полупериоды действующего электромагнитного поля, достигается путем воздействия этого поля на электроны облака, образующегося в прикатодной области;
— взаимодействие потока переменной плотности с электромагнитным полем, приводящее к отбору энергии из электронного потока, происходит в промежутке между сеткой и анодом.
Два этих процесса — образование электронного потока переменной плотности и отбор энергии из электронного потока — разделены в пространстве и во времени.
В случае низких частот время пролета электронов через промежуток между катодом и сеткой пренебрежимо мало по сравнению с периодом изменения поля, и электроны, преодолевающие промежуток между катодом и сеткой в ускоряющий полупериод поля, успевают не только попасть в промежуток между сеткой и анодом в тормозящий полупериод и там затормозиться, но и достигнуть анода за время, в течение которого фаза поля не успевает сколько-нибудь заметно измениться. В этом случае сдвиг фаз между напряжениями на сетке и на аноде, равный 180°, полностью обеспечивает условия для направленной передачи энергии от электронов полю: число электронов, тормозящихся полем, действительно, больше числа электронов, ускоряемых полем. Доля кинетической энергии электрона, превращенная в энергию высокочастотного поля в промежутке между сеткой и анодом, определяется изменением скорости электрона в результате его торможения этим полем. Если время пролета электрона через промежуток между сеткой и анодом пренебрежимо мало по сравнению с периодом изменения поля, то можно полагать, что движение электрона происходит в неизменном (статическом) поле. В триоде поле, определяющее величину тока, создается двумя потенциалами: потенциалом сетки Vc и потенциалом анода Va. При использовании электростатического управления амплитуды гармоник тока однозначно определяется амплитудой ¥-с = .
Обратим внимание на другой сорт заряженных частиц-ионов, которые в обычном рассмотрении не учитываются, а в работе релаксационного ВЧ-генератора роль ионов может оказаться принципиальной.
В нелинейном триоде катод выполнен в виде тонкой вольфрамовой нити. Работа выхода для вольфрама достаточно высока по сравнению с другими материалами [127]. Однако вольфрам имеет более высокую температуру плавления, чем другой металл (3643К) и может работать при достаточно высоких температурах, давая при этом устойчивую и большую эмиссию электронов с поверхности. Вольфрамовые эмиттеры обычно работают при температурах (2400-^2600) К. При такой температуре эмиттера под действием фотоионизации образуются ионизированные молекулы из остаточного газа в баллоне лампы. Положительные ионы, образующиеся в результате ионизации, перемещаются к сетке, если она отрицательна и окружают ее ионным слоем, который нейтрализует электростатическое поле сетки и дает возможность большему числу электронов с ускорением двигаться к аноду. Процесс нарастания тока будет происходить до тех пор, пока не будет ограничена величина тока эмиссией с катода, или другим процессом. Обычно на сетке создается напряжение смещения за счет тех электронов из пространственного заряда лампы, которые попадают на сетку и образуют ток между сеткой и катодом через внешнее сопротивление Еа так называемое сеточное автоматическое смещение. Наличие остатков газа в лампе уменьшает сеточное смещение. Это объясняется тем, что в лампе происходит ударная ионизация молекул газа. Образующиеся при этом положительные ионы притягиваются сеткой и создают положительное напряжение на сопротивлении в цепи сетки. Положительный сеточный ток определяется как поток электронов, движущийся от катода к сетке внутри лампы. Этот ток имеет место в том случае, когда электроны, эмиттированные катодом, обладают скоростью достаточной для преодоления ими тормозящего поля и достижения сетки. Распределение начальных скоростей электронов определяется температурой и материалом катода. Отрицательный сеточный ток определяется как поток электронов, посылаемых сеткой в общий поток электронов, движущийся в лампе к аноду. Основной причиной возникновения этого потока и является ионизация остаточного газа в триоде с имеющими большую скорость электронами, движущимися к аноду. Некоторые из ионов, образовавшихся в результате ионизации, направляются к отрицательной сетке, где их заряды нейтрализуются зарядами электронов, приходящих к сетке из внешней сеточной цепи.
Возникающий таким образом сеточный ток, проходя через внешнее сопротивление сеточной цепи Яс, создает на нем падение напряжения, которое уменьшает отрицательное напряжение смещения на сетке лампы, что приводит к увеличению анодного тока и, следовательно, к увеличению скорости ионизации. Так как этот процесс является регенеративным, то при относительно высоком сопротивлении Кс в лампе могут происходить быстрые лавинообразные процессы. Каждая из двух встречных составляющих сеточного тока становится преобладающей при различных значениях напряжения сеточного смещения. Положительная составляющая преобладает при низких значениях сеточного смещения, отрицательная составляющая — при высоких значениях. При некоторой промежуточной величине напряжения сеточного смещения общий сеточный ток лампы обращается в нуль. Нулевой сеточный ток получается при смещениях, лежащих в пределах (-4-ь-2)В. В некоторых случаях в колбе лампы можно наблюдать объемный диффузный разряд вокруг сетки и анода. Плазма при низком давлении наблюдается визуально:
— при условии одновременного отключения накала и высокого напряжения (Т^з>2800 В) возникает объемный разряд, сопровождаемый относительно яркой вспышкой;
— в случае наличия сеточной емкости Сс > 4 мкФ наблюдается голубое свечение внутри колбы лампы с одновременным существованием одноэлектродного разряда в воздухе атмосферного давления.
В случае относительно высокой частоты повторения импульсов (/ > 1 кГц) обнаружить внешнее проявление ионов в лампе не удается. Но, по-видимому, в процессе возникновения релаксационных колебаний ионы играют важную роль, и их влияние в создании положительного сеточного смещения необходимо учитывать при любой длительности импульсов и частоте повторения импульсов.
5.3. Метод угла отсечки.
АКС генерирует периодические колебания определенной формы. Такие колебания, как известно, можно разложить в ряд Фурье, т. е. в ряд гармонических функций вида.
К = 1а0 +1 л собсЛ + 1"г соя2Ш+., К = Ко + 1С созай+1с2 сс>52(Ы+. .
Если входящие в (5.14) коэффициенты Фурье 1а0,1а1,., 1с0,1с1,. известны, то можно определить все энергетические соотношения в автогенераторе.
Обычно нагрузка триода обладает резонансными свойствами, и поэтому она настроена в резонансе на частоту первой гармоники генерируемых колебаний.
В этом случае напряжения в АКС, а, следовательно, и на электродах электронной лампы, можно считать гармоническими функциями времени. Это допущение лежит в основе практически всех методов расчетов колебательных режимов высокочастотных АКС [127, 130−132]. В гармоническом анализе сеточное и анодное напряжение выражается формулами: ес=Ес+УтссояоХеа=Еа-УтаС08Ш, где Ес и Еа — постоянные составляющие напряжений ес и еа — Утс и Утаамплитуды переменных составляющих. Величинаназывается напряжением смещения, а е’с=УтсСО$оЛ, — напряжение возбуждения нелинейного элемента. Величина Еа — напряжение анодного питания и е’а = Ута СОколебательное напряжение на НАЭ. В основе (5.15) лежит еще одно важное допущение о том, что переменные напряжения на аноде и на управляющем электроде противофазны (на это указывает знак минус).
При возбуждении напряжения сетки по (5.15) форма импульсов анодного тока может быть охарактеризована двумя величинами: высотой 1 т и шириной. Половина части периода, в течении которой ток изменяется от максимального значения до нулевого, называется утлом отсечки — 6. При этом длительность импульсов анодного тока равна 2 В. В пределах угла 2 В форма импульса тока близка к отсеченной косинусоиде или трапеции. Анодный ток можно записать в виде ia = А + Bcoscot, (5.16) где Ли В — некоторые постоянные. Имея ввиду, что ia = lam при COS cot = 1 и ia = 0 при (Dt — 6, находим.
COSCOt~COS& la = lam—:-7-, COS CO t > COS G. (5.17).
1 — COS0.
Здесь учтено, что анодный ток не может принимать отрицательных значений. Угол отсечки 2 0 может принимать значения от 0 до 180°. Воспользовавшись формулами для вычисления коэффициентов ряда Фурье, найдем постоянную оставляющую и гармоники анодного тока sin#- 0).
Ja0 = *ат -^Г ' (5−18).
1-cos^j.
6>-sin^cos6>) а ~ат 7~, ' (5.19).
— COS в).
2 $тп всоъв — п cos"sin в hn = iam Л—' (5'2°) туп -1)(1 — cos^).
Отношения ап = ?~ (5'21) am am 1 am называют коэффициентами постоянной составляющей, первой гармоники, второй гармоники анодного тока и т. д.
При выборе колебательных режимов НАЭ исходят из характерных соотношений между постоянными напряжениями и амплитудами переменных напряжений в цепях управляющей сетки и анода. Как будет показано, высокочастотные АКС практически могут работать в режиме класса С. Получающийся косинусоидальный импульс анодного тока содержит гармоники, причем первая гармоника тока Ial > ia0, что соответствует значительному КПД. Режим класса С соответствует дальнейшему увеличению напряжения смещения Ес за область, где анодный ток обращается в нуль. В этом случае косиыусоидальный импульс тока становится более острым, увеличивает отношение 1а1 / ia0, и торможение электронов в лампе происходит в моменты, соответствующие большим значениям анодного тормозящего потенциала.
5.4. Метод неизменных токов.
Воспользуемся выведенными формулами в (5.3) для аппроксимации импульсов анодного и сеточного токов. Условия работы для получения максимального КПД и выходной мощности АКС определяется так же, как и для усилителя класса С. Следует только учитывать, что выходная мощность АКС меньше выходной мощности усилителя на величину, которая должна быть подведена к управляющему электроду из анодной цепи. Расчет осуществляется при условии, что мощность возбуждения, подводимая к сетке по цепи обратной связи, вычитается из выходной мощности, рассчитанной для лампы, работающей в усилителе. Зная угол отсечки 6, можно найти коэффициенты разложения косинусоидалъного импульса. Это позволяет определить отдаваемую активным элементом колебательную мощность и мощность, потребляемую от источника анодного питания. Если напряжение на нагрузке автогенератора (на его колебательной системе) гармоническое, то колебательная мощность выражается в виде.
Р~ +VmcIcXC0S (p2, (5.22) где Vma, Vmc — амплитудные значения напряжения на аноде и сетке- 1а, 1самплитудные значения тока анода и сетки- <�р2 — фазовые углы между током и напряжением на аноде и сетке.
Когда сопротивление анодной нагрузки практически активно, то (р1 и (р2 близки к нулю, и поэтому.
111 1.
Р~ =VmJa + ^'Vn^c = ^^ 1&trade-Еа + -^с4спУтс ' (5−23) V где = —— коэффициент использования анодного напряжения.
Еа.
Амплитуда переменного анодного напряжения Vma выражается в виде vma= Ea-vamin, (5.24) где Vamin — минимальное остаточное анодное напряжение, которое взаимосвязано с амплитудой возбуждения Vmc. При управлении высокочастотными АКС имеет место различная мощность источника возбуждения Vmc с неизменными Еа, Ес, R3. Выходная мощность возрастает с увеличением амплитуды Vmc, пока не возникнет режим, при котором минимальное анодное напряжение Vamm— ЕаVma становится равным максимальному сеточному напряжению Vc тах — Ес + Vmc. При дальнейшем увеличении Vmc может измениться форма импульса анодного тока с появлением впадины в импульсе за счет чрезмерного возрастания сеточного тока. Возникновение импульса анодного тока с впадиной также наблюдается в случае возрастания эквивалентного нагрузочного сопротивления.
5.25).
Подводимая мощность образуется всеми постоянными напряжениями, приложенные к триоду: о = EaIa0 + Ес01с0. (5.26).
Источники напряжения Eq, Ес0 вводят внутрь триода мощность, которая в нем расходуется, рассеиваясь на аноде, сетке и катоде. Эта мощность потерь.
Рп=Ро-Р~- (5−27).
Мощность переменного тока частично расходуется на тепловые потери в анодном контуре Рпк и поступает в ОВЧ-разряд:
Рр = Р~- Рпк ¦ (5−28).
Мощность, рассеиваемая анодом каждой лампы, определяется по формуле кР„
Рй=-, (5.29) п где п — число ламп в АКС, к — множитель, представляющий отношение мощности, рассеиваемой на аноде лампы, к мощности переменного тока. В таблице № 3 представлены типовые отношения мощности, рассеиваемой анодом лампы, к ее полезной мощности [134].
заключение
.
Перечислим кратко основные результаты, полученные в настоящей диссертации.
1. Экспериментальными и теоретическими методами исследованы основные закономерности тепловых и газодинамических процессов, происходящих в свободном и экранированном ОВЧ-разряде.
Впервые выявлены устойчивые режимы горения ОВЧ-разряда с контрагированным, диффузным, шаровым плазменными образованиями и т. д.
Впервые получен ОВЧ-разряд с самовозбуждением и сильно неравновесной плазмой при нормальном и высоком давлении.
2. Усовершенствованы методы диагностики газо-плазменных потоков для получения качественной и количественной информации о свойствах пространственно неоднородного ОВЧ-разряда.
3. Исследованы газодинамические потоки, создаваемые ОВЧ-разрядом, с детализацией зон и структур. Обнаружены отрывные течения и переходные зоны, продольное и поперечное расслоение плазменных образований при сложной динамике развития.
4. Реконструирован механизм поэтапного формирования открытого ОВЧ-разряда. Показано, что формирование ОВЧ-разряда высокого давления начинается из плазменных ореолов, возникающих на определенном расстоянии от острия электрода. Увеличение размеров плазменных ореолов с одновременной перестройкой профиля температуры, перемещением его как целого к острию электрода, возникновение теплового слоя и конвективных потоков приводит к формированию стационарного ОВЧ-разряда.
5. Проведены измерения скорости газовых потоков и плазмы. Восстановлено пространственное распределение скорости потоков в условиях естественной и вынужденной конвекции. Показано, что в стационарном ОВЧ-разряде продольная скорость независимо от своего начального значения возрастает не более чем в 7 раз.
Разработан метод решения нелинейных уравнений газодинамики. Получены решения нелинейных уравнений смешанной конвекции. Сформирована система уравнений для расчета геометрических параметров, тепловых и газодинамических характеристик открытого ОВЧ-разряда. Показано, что в тепловом слое возникает течение с устойчивой стратификацией, способствующей стабилизации плазменного канала.
6. Проведены измерения поля температур в плазменном канале и тепловом слое. Обнаружено, что в стационарном ОВЧ-разряде радиальный профиль температуры имеет провал на оси, а максимальное значение температуры в плазме наблюдается на заметном расстоянии от острия электрода. При этом плазменный канал представляет собой единое целое или состоит из 2−3 осесимметричных плазменных слоев, разделенных четко выраженными контрастными поверхностями.
7. Выполнен комплекс теоретических исследований пространственно неоднородных тепловых полей во всем объеме плазменного канала, включая поверхность раздела плазма-газ. Построены теоретические модели теплообмена с замкнутой системой уравнений.
Показано, что локализация области поглощения электромагнитной энергии имеет место при неограниченном распространении тепла. Доказано, что плазменные каналы стационарного, импульсно-периодического ОВЧ-разрядов с пространственно неоднородными полями температур ограничены от горячего газа неизотермическими поверхностями при температурном факторе < 2.2.
8. Разработан метод функциональной аппроксимации для решения нелинейного уравнения энергии. Восстановлены двумерные тепловые поля в плазменных образованиях со сложной внутренней структурой и неизотермическими поверхностями раздела плазма-газ.
Изучены нелинейные закономерности перестройки тепловых полей в плазменных образованиях. Показано, что продольное расслоение плазменного канала происходит при образовании провала в радиальном профиле температуры, а скачкообразные переходы происходят при увеличении температурного фактора.
9. Предложен метод неизменных токов для расчета характеристик нелинейных активных элементов. Показано, что графоаналитическим методом можно проводить точные расчеты характеристик активных элементов с использованием закона степени трех вторых.
10. Созданы теоретические модели АКС с учетом расстройки и отстройки АЧХ и ФЧХ. Отмечено, что в АКС величина относительной расстройки соизмерима с величиной относительной отстройки.
11. Разработан комплекс высокочастотных АКС для получения ОВЧ-разряда в разных режимах возбуждения и горения.
Впервые созданы АКС с длинными линиями и АКС релаксационного типа для получения неравновесного устойчивого ОВЧ-разряда.
Получен ОВЧ-разряд с самовозбуждением при положительном автоматическом смещении на управляющем электроде генераторного триода. Получены новые экспериментальные данные спектра излучения плазмы и внутренней ОВЧ-разряда с самовозбуждением.
Разработаны способы управления режимами горения ОВЧ-разряда, осуществляемые при подаче на электрод радиоимпульсов длительностью.
6+200)мкс и частоте повторения (104+30)кГц.
12. Разработаны ОВЧ-плазмотроны со стержневыми и полыми электродами. Предложен способ поджига ОВЧ-разряда внутри металлических и диэлектрических разрядных камер.
Построена математическая модель расчета характеристик ОВЧ-плазмотронов с контрагированной формой плазменного канала. Проведены измерения скорости газо-плазменных потоков в реальном режиме работы ОВЧ-плазмотрона.
Получены экспериментальные результаты физико-химических превращений диспергированных водных растворов в газо-плазменном потоке. Разработана плазмохимическая установка с парогазовихревым ОВЧ-плазмотроном для получения порошковых материалов.
13. Разработаны капиллярные ОВЧ-плазмотроны с самовозбуждением ОВЧ-разряда в разрядных камерах диаметром (20+500) мкм и различной топологии. Выявлены основные закономерности формирования импульсно-периодического ОВЧ-разряда в капиллярах. Показана возможность значительного повышения концентрации электронов в плазме, ограниченной стенками капилляра.
14. Разработаны высокочастотные плазменные аппараты для использования их в медицине, технологиях, образовании, спектроскопии.
В заключение, автор считает своим долгом выразить глубокую признательность академику Зуеву Владимиру Евсеевичу за предоставленную возможность вести научные исследования по данному направлению, а также выразить благодарность сотрудникам ИОА СО РАН за техническую помощь и моральную поддержку.
