Определение параметров воздушной высокочастотной плазмы микроволновыми методами

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 276

1976

УДК 537.52

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУШНОЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПЛАЗМЫ МИКРОВОЛНОВЫМИ

МЕТОДАМИ

И. А. ТИХОМИРОВ, В. В. ТИХОМИРОВ, А. А. СОЛОВЬЕВ, В. И. ШИШКОВСКИЙ,

Приведены экспериментальные результаты по определению некоторых параметров плазмы в. ч. разрядов. Обнаружены условия, при которых микроволновые методы дают однозначные результаты измерений.

Получено удовлетворительное согласие микроволновых н зондевых измерений.

Таблиц 2, библиографий 6.

Низкотемпературная плазма газовых разрядов находит в настоящее время широкое применение в различных областях науки и техники. При этом все большее внимание начинает привлекать плазма в. ч. разрядов, что обусловлено высоким к, п. д. этих разрядов, особой чистотой их газоразрядного пространства, простотой управления и регулирования генерируемых при этом плазменных потоков. Данные по физике и диагностике плазмы позволяют с наибольшей эффективностью решать некоторые вопросы плазмохимии и высокотемпературной технологии. Наиболее пригодны для диагностики высокочастотного факельного ¡разряда (ВФР) —микроволновые методы диагностики [1], а именно, метод1 свободного пространства, при котором непосредственно измеряемыми величинами являются сдвиг фазы и поглощение сигнала.

Для определения 2-х основных параметров — концентрации электронов пе и эффективной частоты соударений \Эф— необходимо измерение 2-х величин, характеризующих распространение электромагнитных волн в плазме. Необходимо также знать эффективный диаметр плазменного образования, поскольку в процессе эксперимента получаются средние по длине зондирующего луча параметры. Таким образом, для определения пе и необходима система из трех уравнений.

Как известно [2], в общем случае связь показателя поглощения и показателя преломления Ni с параметрами плазмы дается выражениями:

В. Н. СЕРГЕЕВ

2*6

где

V:

0),

Величины и N{ вычисляются из экспериментально определенных коэффициентов поглощения плазмы £г и величин фазового сдвига зондирующего сигнала <рг по формулам:

где ¿¿ — диаметр плазменного образования, X, —длина зондирующей СВЧ-волны.

Обработка результатов по формулам (1) представляет определенную трудность, поэтому для определения концентрации электронов пе и в в. ч. плазме высокого давления нами рассчитаны на машине „ДНЕПР-2141 номограммы для параметров Ni и ^ с учетом значений 5 > 1.

Для проведения измерений была разработана установка, объединяющая схему метода 2-х частот и фазометр, которая позволяет проводить определение затуханий на 3-х частотах, и фазового сдвига на одной частоте [3]. Зондирование плазмы проводилось на к\ = 8 мм, Яг = = 12 мм, = 16 мм9 причем на Хх проводилось измерение фазового сдвига.

Большим достоинством и" оригинальностью установки является широкое применение диэлектрических волноводов. На них выполнены все передающие линии, направленные ответвители и частотный разделитель. Для локализации микроволнового излучения в плазме использовались фокусирующие рупорно-линзовые антенны, состоящие из пирамидальных рупоров и фокусирующих диэлектрических линз.

При зондировании плазменных объектов с размерами в несколько длин волн точность измерения значительно падает из-за дифракции, рефракции и многократного отражения СВЧ сигнала в пространстве меж-jlу зондирующими антеннами.

С целью определения минимального диаметра плазменного образования, при котором еще возможно однозначное определение концентрации электронов и их эффективной частоты столкновений, нами проведен аналоговый эксперимент по прохождению СВЧ излучения через цилиндрические образцы из, фторопласта, полистирола и парафина, имитирующих плазму. Результаты измерений представлены в табл. 1.

Как видно из табл. 1 дифракция начинает сказываться уже при -Omin ~ Ю мм. При обработке экспериментальных данных с помощью номограммы по измеренным значениям Yi, Тг, и Дф методом подбора определялся одновременно с пе и v3<$> и диаметр разряда. При всех измерениях он оставался значительно больше Dmin. Сравнение значений эффективных диаметров, полученных микроволновыми методами, с результатами экспериментального исследования радиального распределения электронной концентрации методом 2-х зондов [4] показало удовлетворительное согласие.

СВЧ зондирование в. ч. воздушной плазмы проводилось в металлическом плазмотроне [5] при расстоянии h = 40 мм от электрода до оси рупорно-линзовой системы. Питание в. ч. разряда осуществлялось от ге-

С

нератора ЛД1-4 с рабочей частотой 40 мггц, при подводимой к разряду мощности около 8 кет.

Таблица 1

Затухания и сдвиги фаз ср для различных диэлектриков

п. п. Материал Полистирол Парафин Фторопласт

D [мм] £[Д6] <Р(0] 6 [дб] *[0] Идб] <Р[0]

1 60 _ 15,0 __ _ _

2 55 14,5 _ 14,0 — — —

3 50 13,5 — 13,0 — — —

4 45 12,5 — 12,0 — — —

5 40 12,0 — 11,0 10,6 —

6 35 11,0 _ 10,5 10,6 —

7 30 10,0 100 9,5 30 9,2 18

8 25 9,0 75 8,7 24 8,5 16

9 20 8,5 45 8,0 18 7,8 14

10 15 7,5 30 7,5 12 7,0 12

11 10 15,0 70 12,0 48 15,5 0

Результаты микроволновых измерений параметров в. ч. плазмы представлены в табл. 2.

Таблица 2

Значения концентрации электронов пе и эффективной частоты столкновений электронов с тяжелыми частицами vЭф при различных давлениях

№ п. п. Р /vio-11

тпорр см сек

1 10 0,90±0,06 0,68±0,05

2 20 0,96±0,06 0,70±0,05

3 30 1,10±0,06 0,71±0,05

4 40 1,23±0,07 0,67±0,05

5 50 1,44±0,07 0,67±0,05

6 60 1,66±0,07 0,67±0,05

7 80 2,30±0,07 , 0,69±0,05

8 100 2,84±0,07 0,78±0,05

9 120 3,41-¿0,07 0,90±0,05

10 140 4,55±0,07 0,90±0,05

11 160 6,52±0,08 0,95±0,05

12 180 6_,80±0,08 1,02±0,05

13 200 6,91±0,08 1,15±0,06

Из табл. 2 можно заметить, что пе и хЭф увеличиваются с увеличением давления в разрядной камере. Сопоставление полученной зависимости пе = f(p) с результатами измерений напряжения горения и полного тока разряда {5] и данными о температуре газа [6] при различных давлениях позволяют сделать вывод, что диапазону'давлений, при ко-

торых происходит формирование канала ВФР, соответствует резкое увеличение электронной концентрации.

Проведенные исследования показали, что микроволновые методы пригодны для диагностики высокочастотного факельного разряда пониженного давления. Однако использование излучения с X = 8 мм возможно при диаметре плазменного образования 10 мм. При D < 10 мм и при достаточных пе необходимо переходить на более короткрволновое излучение СВЧ диапазона шгй же диагностировать в. ч. плазму с помощью лазеров.

ЛИТЕРАТУРА

1. И. А. Тихомиров, В. В. Тихомиров, В. В. Марусин. В сб.: «Вопросы физики низкотемпературной плазмы». Минск, «Наука и техника», 1971.

2. А. В. Чернетский, О. А. Зиновьев, О. В. Козлов. Аппаратура и методы плазменных исследований. Под ред. В. Д. Русанова. М., Атомиздат, 1968.

3. И. А. Тихомиров, В. В. Тихомиров, В. Я. Федянин, В. И. Ш и-шковский, А. А. Соловьев. Первый Всесоюзный симпозиум по плазмохимии. М., 1971.

4. И. А. Тихомиров, В. В. Тихомиров, В. И. Шишковский, А. А. Соловьев, В. Н. Сергеев. Настоящий сборник.

5. И. А. Тихомиров, В. В. Тихомиров, Н. А. Мошненко, В. Я. Федянин. В сб.: «Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы». Алма-Ата. 1970, стр. 702.

6. М. 3. Хохлов. «Оптика и спектроскопия», 4, 439 (1958).