ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 8, с. 725-732
УДК 533.9
ДИАГНОСТИКА ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ
ИМПУЛЬСНЫЙ МИКРОВОЛНОВЫЙ РАЗРЯД В КАПИЛЛЯРЕ В ГАЗЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
© 2013 г. С. И. Грицинин, П. А. Гущин*, А. М. Давыдов, Е. В. Иванов*, И. А. Коссый
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия * Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, Москва, Россия
e-mail: gritsinins@mail.ru Поступила в редакцию 16.10.2012 г. Окончательный вариант получен 10.01.2013 г.
Описывается вариант импульсного микроволнового коаксиального капиллярного источника плазмы, генерирующего тонкую плазменную "нить" вдоль оси капилляра в потоке аргона атмосферного давления. Исследована динамика формирования "нити", определены параметры газа и плазмы в области контракции. Представлена физическая модель формирования и распространения разряда, основанная на предположении о реализации в эксперименте в условиях исходно сильной подпоро-говости специфической разрядной формы, известной, как самостоятельно-несамостоятельный (СНС) микроволновый разряд.
БО1: 10.7868/80367292113070032
1. ВВЕДЕНИЕ
В работах [1—4] впервые предсказана, обнаружена и исследована присущая микроволновому диапазону особенность ионизационно-перегрев-ной неустойчивости несамостоятельного разряда в существенно подпороговых полях, заключающаяся в достижении сильно нелинейной стадии, на которой разряд представляет собой вытянутые вдоль вектора микроволнового электрического поля "нити" ("каналы"), отличающиеся чрезвычайно высокими газовой температурой, концентрацией электронов и плотностью энерговыделения. По последнему параметру даже при относительно малых энергиях микроволнового импульса достигаются значения, рекордные для газоразрядной физики в целом [1].
Потенциально область возможного использования такого рода разрядов весьма широка и включает в себя плазмохимию [5], газоразрядные источники света, ракетную технику [4], инициацию воспламенения топливно-воздушного потока в аэродвижителях [6] и т. д. Однако реализация различных приложений ограничивается по крайней мере двумя обстоятельствами: трудностью фиксации в пространстве места возникновения "нити" и относительно малыми временами вклада микроволновой энергии в каждую "нить" [3]. Как первое, так и второе обстоятельство могут быть связаны с тем, что практически все исследования, описанные в [2, 3, 5, 7], проводились с микроволновыми пучками, сфокусированными на газовую мишень. Конструкцией, в которой удалось локализовать "нить", явилась так называемая
"микроволновая дуга", описанная в [8]. Однако реализованный в [8] вариант отличается относительно малыми продольными размерами находящейся в непосредственной близости от элементов микроволнового тракта "нити". Для ряда же приложений (в частности, для плазменных источников УФ-излучения) интерес представляют достаточно удлиненные области контракции, располагаемые на удалении от элементов микроволнового тракта и систем фокусировки и обострения микроволновых полей.
Цель настоящей работы заключается в реализации условий, в которых импульсное микроволновое излучение создает в газах высокого давления одиночную протяженную область контракции несамостоятельного разряда, местоположение которой незначительно меняется от импульса к импульсу, а длина зависит от длительности импульса, увеличиваясь с ростом последней.
Задача фиксации в пространстве области контракции решается путем использования коаксиального плазмотрона, возбуждающего разряд в капилляре. Капиллярный разряд — газоразрядная форма, распространенная как в варианте постоянных токов [9—11], так и в микроволновом варианте [12—14]. Последний, как правило, реализуется при давлениях от сотен тор до атмосферного и мощностях микроволнового излучения от десятков до сотен ватт. В большинстве публикаций изучается стационарная стадия разряда. Одна часть работ посвящена изучению радиофизических свойств разряда, другая — изучению оптического эмиссионного спектра при добавлении в
Рис. 1. Схема эксперимента: 1 — магнетрон; 2 — коаксиальный тройник; 3 — внешний сетчатый электрод; 4 — кварцевый капилляр; 5 — газоразрядная плазма ("нить"); 6 — оптический спектрограф (или ФЭУ); 7— барбатер; 8 — внутренний электрод коаксиала.
основной газ-носитель различного рода примесей. В последнем случае разряд используется в качестве плазмохимического реактора [14]. В большинстве публикаций конструкция плазмотронов представляет собой различные вариации волно-водного серфатрона, что в сочетании с небольшими мощностями микроволнового излучения не позволяет реализовать самоинициирующийся
Рис. 2. Электрическая схема питания магнетрона: 1 — конденсатор (0.5 мкФ); 2 — разрядник; 3 — магнетрон.
подпороговый разряд высокого давления ("СНС-разряд" в терминологии [3, 4]).
В представляемой работе предлагается и реализуется оригинальная конструкция плазмотрона, позволяющая возбуждать СНС-разряд в газах атмосферного давления, что в свою очередь делает возможным исследовать физику развития и механизм инициации капиллярного разряда.
2. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема эксперимента по исследованию возможности генерации одиночного канала (нити) в газе атмосферного давления, базирующаяся на микроволновом коаксиальном плазмотроне, изображена на рис. 1. Используется вариант коаксиального волновода с укороченным центральным электродом 8 (аксиальный размер внутреннего электрода меньше размера внешнего 3) (см. [15]). Внешний электрод 3 является сетчатым с размерами ячеек, обеспечивающими практически полную экранировку микроволнового излучения при одновременной возможности наблюдения за микроволновым разрядом 5 и диагностирования его. Разряд возбуждался в кварцевом капилляре 4, плотно насаженном на внутренний электрод. Диаметр полости капилляра йс « 1.5 мм.
Внутренний электрод выполнен полым и служит одновременно газопроводом, обеспечивающим аксиальную подачу струи рабочего газа к срезу. В качестве рабочего газа-носителя в экспериментах использовался аргон атмосферного давления, в который через барботер могли добавляться пары воды или спирта при комнатной температуре. Расход рабочего газа менялся в пределах 0.1—0.2 л/мин.
В качестве источника микроволнового излучения использовался "бытовой" (применяемый в технике бытовых микроволновых печей) магнетрон 1, генерирующий микроволны на частоте
50
100
150
200
мкс
Рис. 3. Вид импульса анодного тока магнетрона.
/ = 2.45 ГГц. В схеме питания магнетрона, изображенной на рис. 2, использовался конденсатор 1 емкостью 0.5 мкФ и разрядник 2, который замыкал цепь конденсатор—магнетрон 3. Конденсатор заряжался до напряжения 4.2 кВ. В процессе работы напряжение падало до 3.8 кВ. Длительность импульса при этом составляла тр « 200 мкс.
Импульс микроволнового излучения имел экспоненциальный вид (см. рис. 3). Средняя
мощность в импульсе составляла р « 2.5 кВт. Энергия в импульсе — « 0.5 Дж.
В ходе эксперимента исследовалось оптическое излучение из плазмы с помощью спектрографа Ауап1ев Ауа8рее 2048 и ФЭУ-62 (6 на рис. 1). По данным спектральных оптических измерений определялась концентрация электронов пе в разрядном канале (штарковское уширение регистрируемых в спектре линий На и Нр), температура газа Тё в области контракции (по участкам квазинепрерывного излучения в спектре), величина электронной температуры Те (по относительной интенсивности линий А в спектре).
По результатам регистрации свечения из разряда коллимированным ФЭУ (разрешение вдоль оси капилляра AZ « 2 мм) определялась аксиальная скорость развития разрядной "нити".
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Ввод в коаксиальную систему, изображенную на рис. 1, аксиального газового потока атмосферного давления (аргон, аргон с примесью паров воды или спирта) приводил при генерации микроволнового импульса к инициации разряда на срезе центрального трубчатого электрода (см. рис. 4) и к формированию узкого (ф{ « 200 -300 мкм) плазменного шнура (нити), распространяющегося вдоль оси капилляра. Продольный размер области контракции достигал 140 мм. Типичная ин-
2
Рис. 4. Схематическое изображение инициирующих образование разрядной "нити" искрений на контакте металл—диэлектрик: 1 — кварцевый капилляр; 2 — внутренний электрод коаксиала; 3 — внешний сетчатый электрод коаксиала.
тегральная во времени фотография разряда приведена на рис. 1.
Результаты исследования характеристик разряда сведены на рис. 5. Здесь представлены аксиальные изменения скорости "вытягивания" "нити" V на различных расстояниях от места инициации, аксиальное изменение концентрации электронов в "нити" пе, температуры электронов Те и температуры газа Тё.
Типичный спектр оптического излучения из разряда, полученный с помощью спектрографа и
Те, пе, V
16 14 12 10 8 6 4 2
0
68 Z, см
10 12
14
Т
7200 7000 6800 6600 6400 6200 6000 5800 5600 5400 5200
Рис. 5. Распределение параметров плазмы и газа
вдоль газоразрядной "нити": -□- Те (эВ); -■--пе,
1016 см-3; -А- - V, 105 см/с; -♦- - Т§, К.
3
г
имп
4
Интенсивность, отн. ед. 6000 г
1000
01_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
4000 4400 4800 5200 5600 6000
X, А
Рис. 6. Характерный спектр оптического излучения из разряда (смесь Аг с парами воды при комнатной температуре) с учетом чувствительности спектрографа.
1П(Х44)
Рис. 7. Спектр излучения разряда (см. рис. 6) в планковских координатах. Сплошная кривая — планковская зависимость, соответствующая примерно 5000 К.
перестроенный с учетом спектральной чувствительности регистратора, приведен на рис. 6. Спектр содержит как непрерывную ("пьедестал"), так и линейчатую компоненту. Методика, предложенная и обсужденная в [16], использована для определения газовой температуры разрядной нити Тё по квазинепрерывным участкам спектра. На рис. 7 представлены результаты обработки спектра в области длин волн 4000 А < X < < 6200 А. Спектральная интенсивность квазине-
прерывного компонента 1Х в этой области длин волн оказывается близкой к равновесной [17]:
Л =
( еоп$1^
I х4 )
ехр
Нс X кТс
1
-1
(1)
Так как в рассматриваемой спектральной области выполняется неравенство ехр(Нс/(ХкТ§)) > 1, то соотношени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.