Измерение параметров низкотемпературной плазмы высокочастотного индукционного разряда магнитным зондом

ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА

УДК 533.9:537.52

Р. Н. Гайнуллин, А. Р. Герке, А. П. Кирпичников

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА МАГНИТНЫМ ЗОНДОМ

Магнитным зондом экспериментально измерено пространственное распределение магнитного поля в плазме высокочастотного индукционного разряда на воздухе.

Введение

В настоящее время постоянно растет интерес к технологическим процессам и установкам, в основе которых лежит применение низкотемпературной плазмы. Использование высокотемпературного ионизированного газа позволяет получать материалы и покрытия с уникальными физическими и химическими свойствами. Для успешного управления плазменными процессами, необходимо располагать информацией об основных электромагнитных и тепловых параметрах в зоне разряда. К настоящему времени уже накоплен довольно обширный набор средств диагностики и методов расчета этих параметров. Однако, современные методики, как правило, требуют применения громоздкого диагностического оборудования или значительного времени на получение информации.

В данной работе представлен один из методов диагностики низкотемпературной плазмы, основанный на измерении пространственного распределения магнитного поля в плазме высокочастотного индукционного (ВЧИ) разряда с помощью магнитного зонда.

Характер распределения высокочастотного магнитного поля в плазме индукционного разряда в значительной мере обусловлен внутренними процессами, происходящими в разряде, и позволяет судить о влиянии внешних условий на формирование ВЧИ разряда. Очевидно, что экспериментально измеренному пространственному распределению магнитного поля в плазме однозначно соответствует ряд внутренних параметров разряда, таких как распределение амплитуд напряженностей вихревого электрического поля, плотности тока, фазовые углы, мощность, выделяемая в объеме газа, проводимость и соответствующая этой проводимости равновесная температура.

В связи с этим, на первом этапе была поставлена задача, получить пространственное распределение амплитуды напряженности квазистационарного электромагнитного поля И2 в активной зоне высокочастотного индукционного разряда.

Впервые подобный подход был описан в [1], где результаты магнитных измерений, выполненные с помощью кратковременно погружаемого в плазму магнитного зонда, были использованы для определения температуры и основных электромагнитных характеристик.

Методика измерений

Для проведения исследований электромагнитных и электрофизических характеристик плазмы высокочастотного индукционного разряда был создан экспериментальный

стенд. В качестве источника питания использовался промышленный генератор ВЧИ-11/60 мощностью 60 кВт и работающий на частоте 1,76 МГц. Пятивитковый индуктор имеет диаметр 80 мм и длину 150 мм. Разрядная камера плазмотрона представляет собой трубку открытого типа из оптически чистого кварца диаметром 76 мм и высотой 500 мм. Схема экспериментального стенда представлена на рис. 1.

6

Рис. 1 - Схема экспериментального стенда: 1 - силовая часть ВЧ-установки; 2 - центробежный водяной насос; 3 - раздаточный коллектор; 4 - теплозащитный экран; 5 -магнитный зонд; 6 - собирающий коллектор; 7 - воздушный компрессор; 8 - пульт регулировки плазмообразующего газа; 9 - баллон с аргоном; 10 - ротаметр общего расхода газа; 11 - газоформирующая головка плазмотрона; 12 - газоразрядная камера; 13 - водоохлаждающаяя градирня; 14 - координатный стол

Первоначально разряд зажигался на аргоне. После его подачи в газоразрядную камеру и включения высокочастотной установки на 60% своей максимальной мощности, с помощью поджигающего устройства в зону индуктора внутрь камеры вводился дуговой разряд переменного тока. Этот разряд подхватывался ВЧ-полем индуктора, после чего в плазмотроне зажигался стационарный ВЧИ-разряд на аргоне. Плавным замещением подачи аргона на воздух, изменяя при этом режим работы генератора, разряд переводился полностью на воздух, а мощность установки доводилась до номинального значения. Для защиты стенок разрядной камеры от теплового разрушения использовалась вихревая стабилизация разряда.

На первом этапе были выполнены исследования по определению порога устойчивости работы плазмотрона на воздушной плазме. При этом было установлено, что введение датчика в зону разряда оказывает влияние на устойчивую работу плазмотрона, причем, чем выше расход плазмообразующего газа, тем вероятнее срыв разряда от введения зонда. С другой стороны, устойчивая работа плазмотрона ограничена по величине максимального анодного напряжения, которая определяет максимальную колебательную мощность уста-

новки. Для установки ВЧИ-11/60 это напряжение равно порядка 9,5 кВ. Ещё одно ограничение по нижней границе расхода плазмообразующего газа связано с термической устойчивостью газоразрядной камеры. В результате проведенных исследований был установлен нижний порог по расходу плазмообразующего газа, при котором ещё возможна длительная работа кварцевой камеры - 7 м3/час.

Для измерения продольной составляющей напряженности квазистационарного электромагнитного поля И2, в условиях термической плазмы использовался специально сконструированный водоохлаждаемый магнитный зонд диаметром 3 мм, допускающий длительную эксплуатацию при высоких температурах, свойственных такому типу разряда. Конструктивно датчик выполнен в виде коаксиальной системы трубок и капилляров и показан на рис. 2.

3

Вода

Рис. 2 - Схема магнитного датчика

Внешняя рубашка водяного охлаждения (1) изготовлена из тонкостенной кварцевой трубки с толщиной стенки около 0,3 мм. Охлаждающая вода поступает в датчик по тонкостенной медной трубке (2). Для удобства подвода и отвода воды и крепления питающих шлангов датчик монтируется в распределительной обойме (3).

Электрическая часть датчика включает в себя два медных капилляра, внутри которых пропущены концы регистрирующей приемной катушки (4). На катушку намотано 10 витков медного провода. Диаметр самой катушки - 1 мм. Для придания механической прочности и сохранения осевой ориентации приёмная катушка вместе с концами медных капилляров залита эпоксидным компаундом. Сами капилляры (5) подсоединены к заземляющей шине электрической схемы измерительного устройства и одновременно являются экранирующим элементом, защищающим подводящие проводники приемной катушки от наводок электромагнитного поля. Измерительная система датчика состоит из амплитудного детектора с фильтром нижних частот (АД), интегрального усилителя и электронного вольтметра. С целью дополнительного уменьшения влияния паразитных наводок электронный усилитель выполнен по дифференциальной схеме на базе компаратора.

Для уменьшения влияния наводок на входные электрические цепи амплитудный детектор помещен в экранирующий медный корпус, закрепленный непосредственно на торце раздаточной обоймы в месте выхода проводников катушки, а его соединение с вольтметром выполнено экранирующем кабелем.

Качество экранирования измерительных цепей проверялось перед проведением экспериментов. Для этого на приемную головку датчика надевался медный экран, и датчик вводился в зону индуктора при включенной на максимальную мощность установке. Измерения показали отсутствие сигнала с датчика. На основании этого был сделан вывод о дос-

таточной степени экранирования электрических цепей и пригодности данной конструкции датчика для работы.

Для калибровки магнитного зонда был использован калибровочный стенд на базе высокочастотного генератора мощностью 1 кВт, частотой 1,76 МГц и образцовый соленоид диаметром 3 см.

При проведении экспериментов по измерению Нт для осевого и радиального перемещения внутри разрядной камеры магнитный зонд был установлен на двухстепенном координатном устройстве. Измерения проводились в восьми сечениях, расположенных друг от друга на расстоянии 1 см, начиная с центрального при т = 0. В каждом сечении датчик перемещался в радиальном направлении от одной стенки камеры до другой. Дискретность положений позволяла измерять напряженность магнитного поля в 17 точках. Расход плазмообразующего газа через камеру в экспериментах составлял 9 и 13 м3/час.

В результате магнитных измерений в разрядах на воздухе были получены радиальные распределения продольной составляющей напряженности магнитного поля Нт в различных сечениях по т (рис. 3).

Рис. 3. Радиальное распределение амплитуд продольной составляющей напряженности магнитного поля И2 в различных сечениях индуктора при расходе плазмообразующего газа:

----- - 01=9 м3/час;

....... - 02=13 м3/час

Обсуждение результатов

Анализ представленных кривых показывает, что максимальное значение И2 всегда находится в пристеночной области у стенки разрядной камеры. На некотором расстоянии от стенки кривая напряженности магнитного поля начинает резко спадать, приближаясь к своему минимальному значению на оси. Такое поведение И2 объясняется увеличением электропроводности плазмообразующнго газа и связанного с этим ростом поглощения

энергии электромагнитного поля, которое происходит в пределах некоторой зоны, называемой скин-слоем.

Экранирующее действие скин-слоя оказывает влияние и на центральную область разряда, где значения амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля Н2 минимальны. Таким образом, существует сильная зависимость между Н2 и проводимостью плазмы.

Необходимо также отметить, что функция Н2 является падающей вдоль оси 2, начиная от центрального сечения индуктора. При этом уменьшается также и градиент Н2 вдоль оси 2. Это можно объяснить тем, что напряженность магнитного поля внутри индуктора конечных размеров уменьшается по мере приближения к его торцевой части. При этом возрастает влияние её радиальной составляющей Нг. В этом заключается, так называемый, краевой эффект.

Рассматривая влияние расхода плазмообразующего газа на характер изменения амплитуды Н2, можно заметить, что при его увеличении уменьшается перепад и зона провала величины Н2. Это связано с тем, что при увеличении расхода подаваемого газа, уменьшается эффективный диаметр плазмоида и, тем самым, ухудшается его связь как нагрузки с высокочастотным генератором. Все это приводит в результате, к падению удельной мощности, выделяемой в разряде.

Заключение

С помощью магнитного зонда получено двумерное пространственное распределение амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля Н2 в активной зоне высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления для двух расходов плазмообразующего газа. Полученные результаты позволяют глубже изучить структуру ВЧИ разряда, а также могут быть использованы для расчета его основных электромагнитных и тепловых параметров.

Литература

1. Сошников В.И., Трехов Е.С., Хошев Ю.М. // Физика газоразрядной плазмы. М., 1969. Вып. 2.

С.130-135.

© Р. Н. Гайнуллин - канд. техн. наук, доц. каф. автоматизированных систем сбора и обработки информации КГТУ; А. Р. Герке - канд. техн. наук, доцент той же кафедры; А. П. Кирпичников -д-р физ.-мат. наук, проф. каф. интеллектуальных систем управления информационными ресурсами КГТУ.