Исследования экранированного ВЧ факельного разряда СВЧ и спектральным методами Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

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

Том 276 1976

УДК 537.52

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКРАНИРОВАННОГО ВЧ ФАКЕЛЬНОГО РАЗРЯДА СВЧ И СПЕКТРАЛЬНЫМ МЕТОДАМИ

И. А. ТИХОМИРОВ, В. В. ТИХОМИРОВ, В. я. ФЕДЯНИН,

А. А. СОЛОВЬЕВ, м. М. ПУГОВКИН, А. И КУЗЬМИНЫХ, Н. М. СИНИЦЫН

(Представлена научным семинаром физико-технического факультета)

Описана методика и приведены результаты измерений газовой температуры в диапазоне давлений 100—760 мм рт. ст. для воздушной плазмы и плазмы смеси воздуха и продуктов разложения органического диэлектрика в металлическом в. ч. факельном плазмотроне. Изложено описание установки для определения электронной плотности и эффективной частоты столкновений электронов с тяжелыми частицами с. в. ч. методами.

Иллюстраций 4, таблиц 1. библиографий 11.

В самое ближайшее время особую роль в развитии и становлении прогрессивной технологии будут играть процессы, протекающие в условиях плазмы электрических разрядов при газовых температурах (3-^ 30) 103°К и еще более высоких «электронных температурах» [1]. При этом многим технологическим процессам, как видно из результатов сегодняшних исследований [2—4], лучше всего будет удовлетворять плазма в. ч. разрядов. Особое внимание следует обратить, на наш взгляд, исследованию в. ч. факельного разряда, который, обладая всеми достоинствами в. ч. разрядов, лишен в то же время таких недостатков индукционного разряда, как невозможность использования последнего в полностью металлических конструкциях.

Однако в. ч. факельный разряд в металлическом плазмотроне в настоящее время недостаточно изучен и поэтому представляет определенный интерес создание такого типа металлического в. ч. факельного плазмотрона, в котором при проведении плазмохимических реакций можно было бы определять все основные параметры плазмы в. ч. факельного разряда. Схема такого плазмотрона, разработанного нами, описана в работе [11].

Для определения газовой температуры в этом плазмотроне разряд фотографировался при помощи кварцевого спектрографа ИСП-28 на аэрофотопленку чувствительностью 1100 ед. ГОСТа. Для измерения температур был выбран метод относительных интенсивностей линий

о

в полосе 3064 А гидроксила ОН.

Применимость этой ^полосы гидроксила для измерения газовых температур в в. ч. разрядах рассматривалось экспериментально в работах М. 3. Хохлова [5—6], где показано, что при газовых температурах выше 2500°К диссоциация молекул воды в разряде носит термический характер и «вращательная температура» гидроксила совпадает с температурой газа.

Наиболее удобными для измерения температуры в наших условиях оказались ветви Р\ и (¿1. Измерения, проведенные по ним, отличаются между собой на 1—2%, что лежит в пределах точности метода.

На рис. 1 приведены зависимости газовой температуры от давления газа в плазмотроне при различной подводимой к разряду мощности. Из графиков видно, что при давлениях, больших 300 мм рт. ст., газовая температура в факельном разряде мало изменяется как при изменении давления, так и мощности, подводимой к разряду.

Т°К

Рис. 1. Зависимость газовой температуры факельного разряда в воздухе от давления при различных мощностях, вкладываемых в разряд (¿ = 200,

400, 600, 800 вт).

Описанная выше методика определения газовой температуры была применена также и для определения газовой температуры плазмы смеси воздуха с продуктами разложения органических соединений сложного состава.

На рис. 2 приведена зависимость температуры плазмы этих реагирующих компонент от давления.

Для проведения микроволновых измерений нами использовалась установка (рис. 3), которая совмещает, как схему метода 2-х частот [7], так и фазометр [8], что позволяет измерять затухание и отражение на Хи и фазовый сдвиг на (К\ = 8 мм; = 4 мм). Сигналы от генераторов Гь Гг направляются в общий волноводный тракт, выполненный из полистирола и рассчитанный на наибольшую длину волны. Сфокусированное рупорно-линзовыми антеннами излучение проходит через плазму и направляется в частотный разделитель 4, далее на измерительные аттенюаторы 5 и затем на кристаллические детекторы 6 с регистрацией на самописцах КСП-48.

В опорном плече волна, пройдя через аттенюатор 2 и фазовращатель 3, смешивается с сигналом, прошедшим через измерительное плечо II, что позволяет измерить сдвиг фазы волны, прошедшей через

Рис. 2. Зависимость газовой темгь^ачуры плазмы смеси воздуха с продуктами разложения полимеров от давления.

плазму. Для согласования в схему включен трехшлейфовый трансформатор 7.

КСВН установки на всех длинах волн составляло 1,14-*- 1,20 и измерялось измерительными линиями 1.

Таблица 1

Электронная концентрация пе и эффективная частота соударений \'Эф для плазмы в. ч. разряда при различных давлениях

р mopp 40 60 80 100 120 140 160 180 200

пе-10-4 CM" 3 1,23 1,66 2,3 2,84 3,41 4,55 6,52 6,80 6,94

сек-1 0,67 0,67 0,69 0,78 0,90 0,90 0,95 1,02 1,15

Вычисление значений пе и хЭф из номограмм работы [7] невозможно, поскольку в нашем случае отношение 5= > 1 (со — частота

0)

зондирующего сигнала). 72

В табл. 1 приведены значения пе и \'Эф, вычисленные с помощью номограмм, рассчитанных нами на ЭВМ [9]. Причем расчетная формула была упрощена в соответствии с условием S>1. Ошибка эксперимента, обусловленная отражением между антеннами и рефракцией на столбе плазмы, а также сравнительно малой плотностью электронов составляет 12—10%, что хорошо согласуется с данными работы [10].

Таким образом, проведение комплекса вышеназванных измерений в совокупности с зондовыми и электрическими измерениями позволяет получать информацию о процессах, протекающих в плазме в. ч. факельного разряда и проводить оптимизацию плазмохимических процессов по тем или иным параметрам.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. А. К и р и л и н. В сб.: «Низкотемпературная плазма»,, М., «Мир», 1967, стр. 9.

2. И. А. Тихомиров и др. «Генераторы низкотемпературной плазмы». М., «Энергия»3 1969,

3. И. А. Тихомиров и др. Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы. Алма-Ата, 1970.

4. И. А. Тихомиров и др. Авт. свид. 252300, 1968.

5. М. 3. Хохлов. «ЖЭТФ», 5 (11) (1955).

6. М. 3. Хохлов. «ОС», 4 (1958).

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

8. В. Е. Го л ант. СВЧ методы исследования плазмы. М., «Наука», 1968.

9. И. А. Тихомиров и др. Известия ТПИ, т. 276, стр. 26.

10. S h i о b а г a S. «J. Appl. Phys.», 1965, 4 № 7, 513.

11. И. А. Тихомиров и др. Приборы и техника эксперимента, 1974, № 3, стр. 151.

Рис. 3. Блок-схема установки для микроволновых исследований.