Электродинамика и поля температур струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления

ОГЛАВЛЕНИЕ
Содержание 2
Основные условные обозначения 4
Введение 6
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 12
1.1 Высокочастотный индукционный разряд и области его применения 12
1.2 Методы диагностики электромагнитных и тепловых характеристик струйного ВЧИ разряда атмосферного давления 16
1.3 Анализ экспериментальных данных о параметрах ВЧИ разряда 27
1.4 Математические модели для расчёта параметров ВЧИ разряда 33
1.5 Задачи исследования 42
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ СТРУЙНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ 44
2.1 Одномерная модель электромагнитного поля струйного высокочастотного индукционного разряда 44
2.2 Двухмерная модель электромагнитного поля струйного высокочастотного индукционного разряда 51
2.3 Анализ полученных результатов 64
2.4 Выводы по главе 66
ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ УСТАНОВКИ, МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 67
3.1 Описание экспериментально-измерительного комплекса 67
3.2 Диагностическое оборудование 72
3.3 Методика калибровки магнитного зонда 74
3.4 Оценка точности результатов измерений 76
3.5 Методика проведения экспериментов и обработки опытной информации 78
3.6 Методика проведения оптических измерений температуры плазмы 82
3.7. Выводы по главе 87
ГЛАВА 4. СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ СТРУЙНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ПРИОСЕВОЙ ОБЛАСТИ ПЛАЗМОИДА 88
4.1 Одномерная модель постоянной проводимости Томсона струйного высокочастотного индукционного разряда 88
4.2 Структура электромагнитного поля струйного высокочастотного индукционного разряда вблизи оси плазмоида в идеальном индукторе 98
2
4.3 Двухмерная модель постоянной проводимости струйного высокочастотного индукционного разряда 106
4.4 Структура электромагнитного поля струйного высокочастотного индукционного разряда вблизи оси плазмоида в индукторе конечных размеров 124
4.5 Закономерности структуры электромагнитного поля ВЧИ разряда 145
4.6 Обобщение полученных результатов 149
4.7 Выводы по главе 161
ГЛАВА 5. СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА 163
5.1 Структура электромагнитного поля высокочастотного индукционного разряда вблизи плоскости центрального сечения плазмоида 163
5.2 Структура электромагнитного поля высокочастотного индукционного разряда в индукторе конечной длины 183
5.3 Анализ полученных результатов 216
5.4 Коаксиальная структура высокочастотного индукционного разряда 223
5.5 Эффект Энгеля-Штеенбека в случае высокочастотного индукционного разряда 225
5.6 Экспериментально-теоретическая модель расчёта электромагнитных и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда 228
5.7 Методика расчёта электромагнитных и тепловых характеристик высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления 230
5.8 Выводы по главе 233
ГЛАВА 6. ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИИ МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПОРОШКОВ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ 235
6.1 Описание плазмохимической установки для получения высокодисперсных порошков 235
6.2 Получение лабораторных образцов порошков 8Ю2 240
6.3 Выводы по главе 247
Заключение 248
Список литературы 250
Приложение 262
Основные условные обозначения
е- заряд электрона; те - масса электрона;
псу па~ концентрация ионов, элекгронов и атомов;
8іу 8а~ статистический вес иона и атома;
П- постоянная Планка;
С/,- потенциал ионизации; к - постоянная Больцмана; га - радиус Дебая; г - равновесная температура;
Тс,- температура электронов и тяжёлых частиц;
V - частота электронных столкновений; со- круговая частота электромагнитного поля; о- - проводимость плазмы;
X - коэффициент теплопроводности; р - удельная плотность; р - магнитная проницаемость; ср - удельная теплоёмкость;
IV - удельная объёмная мощность тепловыделения;
Н- вектор напряженности магнитного поля;
Ё - вектор напряженности электрического поля;
Ъ - вектор смещения электрического ноля;
В - вектор магнитной индукции;
Ер - азимутальная составляющая вектора напряженности электрического поля;
н2 - продольная составляющая вектора напряженности магнитного ноля;
Нг - радиальная составляющая вектора напряженности магнитного поля;
М9 - плотность тока и её азимутальная составляющая;
/ - время; с - скорость света; г - текущий радиус; г - продольная осевая координата;
я * - амплитуда продольной составляющей напряженности магнитного поля; Н, - амплитуда радиальной составляющей напряженности магнитного ноля;
- амплитуда азимутальной составляющей электрического поля;
<Рнг, <Рн, у<Ре„ - фазы магнитного и электрического полей;
^(х) - функция Бесселя первого рода порядка п(п>о);
Уп(х) - функция Бесселя второго рода порядка п (п ^ о);
Ьег{х), Ье1'(х) - функции Кельвина первого рода нулевого порядка; Ьегп(х),Ье1п(х)- функции Кельвина первого рода порядка п о);
/„(а)- модифицированная функция Бесселя порядка п(п>о);
ЗмЛх) ~ функция Ломмеля;
рРч - обобщенная гипергеометрическая функция;
{а)к,(Ь\,2)к ~ символы Похгаммера.
5
Введение
Актуальность темы. В последние годы всё большее значение приобретают технологические процессы и установки, основанные на применении низкотемпературной плазмы. Высокая энергетика плазменных процессов даёт возможность проводить реакции, неосуществимые при обычных условиях с использованием рядовых технологий. Особенно перспективны в этом направлении аппараты и конструкции, использующие высокочастотный нагрев газа, в которых отсутствие внутренних электродов позволяет получить плазму особо чистой, не загрязнённой продуктами их разрушения. Всё это позволяет активно использовать её при проведении различных плазмохимических реакций, для получения особо чистых материалов и покрытий с уникальными физическими и химическими свойствами, в том числе и высокодиспсрсных порошков.
Высокочастотные струйные плазмотроны являю гея достаточно простыми источниками низкотемпературной плазмы, пригодными как для целей лабораторного моделирования, так и для промышленного использования в разнообразных плазменных технологиях.
Несмотря на то, что к настоящему времени накоплен достаточно обширный теоретический и экспериментальный материал, посвящённый исследованию струйного высокочастотного разряда атмосферного давления, однако вопросы, связанные с влиянием скорости подачи плазмообразующего газа на изменение его основных параметров изучены недостаточно.
К настоящему времени не предложено такой модели ВЧИ разряда, с помощью которой можно было бы получить достоверные данные о распределении основных электромагнитных и тепловых характеристик разряда в зависимости от величины расхода прокачиваемого через разряд плазмообразующего газа.
Отсутствие этих данных является сдерживающим фактором при разработке новых плазмохимических реакторов и оптимизации их работы.
6
В связи с этим, актуальной представляется разработка такой модели струйного ВЧ индукционного разряда атмосферного давления, которая требовала бы минимального числа измеряемых величин, с тем, чтобы по ним можно было бы с достаточной степенью точности рассчитать все основные характеристики плазмы в зависимости от скорости плазменного потока.
Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы комплексного исследования структуры электромагнитного и теплового полей струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления экспериментально-теоретическим путём, позволяющим получить достоверные данные о распределении основных характеристик разряда и их зависимости от величины расхода прокачиваемого через разряд плазмообразующего газа.
В диссертации изложены результаты работы автора в период с 1988 по 2009 г.г. по исследованию струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления, разработке диагностического оборудования, а также методик и алгоритмов расчёта его основных электромагнитных и тепловых характеристик, позволяющих с достаточной степенью точности определить структуру В ЧИ разряда.
Работа выполнялась в Казанском государственном технологическом университете в соответствии: с Координационным планом научно-
исследовательских работ АН СССР на 1986-1990 гг. по комплексной проблеме «Физика низкотемпературной плазмы» по теме 0182.5011018 «Исследование термодинамических и теплофизических процессов в плазмохимических реакторах»; с Координационным планом научно-исследовательских работ РАН на 1996-2000 гг. по комплексной проблеме «Физика низкотемпературной плазмы» (п. 1.9.1.1.2.1.); с научным направлением “Физика низкотемпературной и неидеальной плазмы и её применение в энергетике и экологически чистых технологиях”, включённым в Постановление Правительства РФ № 2727п-П8 от 21 июля 1996 г. ’’Приоритетные направления развития науки и технологий”; разделом 1.5.2 -
“Физика низкотемпературной плазмы”, включённым в Постановление Президиума РАН № 7 от 13 января 1998 г. “О перечне приоритетных направлений фундаментальных исследований” и планом фундаментальных научных исследований Казанского государственного технологического университета. Работа выполнена также при поддержке АН Татарстана (договора № 06-6.7-298 / 2004 (Ф) и № 06-6.4-357 / 2005 (Ф)).
В первой главе выполнен аналитический обзор отечественных и зарубежных публикаций, посвященных экспериментальному и теоретическому исследованию струйного ВЧИ разряда. Проведён анализ существующих методов контактной диагностики электромагнитных и тепловых параметров ВЧИ разряда. Показано, чго выбор того или иного метода обусловлен, прежде всего, требуемой точностью при проведении измерений, а также наличием диагностического оборудования и условий при которых они проводятся. Представлен обзор работ, посвящённых математическому моделированию высокочастотного индукционного разряда. При этом отмечено, что большинство авторов, стараясь избежать измерений в самом разряде, в качестве входной информации для своих расчётов и задания граничных условий используют параметры, измеряемые в первичной цепи плазмотрона, например силу тока индуктора. Это приводит к необходимости привлекать дополнительные уравнения для замыкания системы уравнений Максвелла, описывающей электромагнитное поля ВЧИ разряда. Этого можно избежать, если в качестве входной информации использовать, найденные экспериментально, значения амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля. В этом случае, ограничиваясь только рамками системы уравнений Максвелла, можно получить распределения электромагнитных и тепловых характеристик струйного ВЧ индукционного разряда атмосферного давления в зависимости от скорости подачи плазмообразующего газа.
На основе анализа представленных данных сформулированы основные задачи исследования.
8
Вторая глава посвящена построению двухмерной математической модели, описывающей структуру квазистационарного электромагнитного ноля струйного ВЧИ разряда атмосферного давления, горящего в индукторе конечной длины Показано, что наиболее оптимальным входным параметром для расчётов по этой математической модели является использование экспериментальных данных о распределении амплитуды продольной составляющей напряженности магнитного поля в разряде.
В третьей главе приведено описание экспериментально-измерительного комплекса для исследования плазмы высокочастотного индукционного разряда, рассмотрено диагностическое оборудование и методики проведения магнитных и оптических измерений, а также представлены полученные результаты.
В четвертой главе построена двухмерная модель постоянной проводимости струиного ВЧИ разряда, на основе которой получены аналитические выражения для расчёта комплексных амплитуд всех трёх электромагнитных величин, характеризующих ВЧ поле в разряде. Показано, что при устремлении в них константы расщепления к нулю полученные формулы переходят в классическое решение Томсона одномерной модели постоянной проводимости.
На основе построенной двухмерной модели постоянной проводимости подробно исследована структура электромагнитного поля ВЧИ разряда вблизи оси плазмоида и получены приближенные формулы для расчета основных электромагнитных характеристик поля в приосевой области разряда.
Дана сравнительная оценка результатов расчётов одних и тех же электромагнитных параметров струйного ВЧИ разряда, полученных как с помощью аналитических зависимостей, найденных при построении двухмерной модели постоянной проводимости, так и С ПОМОЩЬЮ приближённых формул, найденных при изучении структуры струйного ВЧИ разряда вблизи его оси. Показано, что приближённая модель адекватно
9
описывает структуру электромагнитного поля ВЧ индукционного разряда примерно до расстояния порядка одной трети радиуса плазмоида.
В пятой главе исследована структура электромагнитного поля струйного ВЧИ разряда конечной длины и построена численная модель, с помощью которой выполнен расчёт всех основных электромагнитных и тепловых характеристик разряда для нескольких сечений индуктора при различных расходах плазмообразующего газа.
Проведен анализ полученных результатов, на основе которого, в частности, обнаружено явление коаксиальности ВЧИ разряда. Изучено влияние величины скорости плазменного потока на электромагнитные и тепловые характеристики ВЧИ разряда, а также проанализирован эффект Энгеля-Штеснбека применительно к данному типу разряда.
В шестой главе приведено описание плазмохимической установки для проведения комплексных исследований плазмохимического метода получения наноразмерных частиц оксидов металлов.
В заключении обобщаются основные результаты работы.
В приложении представлены акты о внедрении результатов диссертационной работы на ОАО СКТБ «Медипструмент» (г. Казань) и НПГ «Ренари» (г. Москва).
Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно обоснованную технологическую разработку, обеспечивающую решение ряда важнейших прикладных задач, имеющих большое народнохозяйственное значение и заключающуюся в создании экспериментально-теоретической модели, служащей для расчёта электромагнитных и тепловых параметров струйного высокочастотного индукционного разряда атмосферного давления с целью разработки плазмохимических реакторов и оптимизации работы энергоустановок, использующих принцип индукционного нагрева проводящих сред.
На защиту выносятся следующие основные положения:
10
1. Результаты экспериментальных исследований структуры квазистационарного электромагнитного поля и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда в условиях термической плазмы.
2. Экспериментально-теоретическая модель расчёта
электромагнитных и тепловых характеристик струйного высокочастотного индукционного разряда, горящего в индукторе конечных размеров при атмосферном давлении.
3. Двухмерная модель постоянной проводимости высокочастотного индукционного разряда и аналитическое исследование структуры электромагнитного поля ВЧИ разряда в приоссвой области плазмоида.
4. Методы и алгоритмы численно-экспериментального определения электромагнитных и тепловых полей на основании имеющихся экспериментальных данных по результатам измерений амплитуды продольной компоненты магнитного поля ВЧИ разряда.
5. Результаты экспериментальных исследований, связанных с определением порога устойчивости разряда в зависимости от величины расхода прокачиваемого через разряд плазмообразующего газа.
6. Результаты проведения исследований плазмохимического метода получения высокодисперсных порошков оксидов металлов.
7. Результаты исследования влияния величины расхода плазмообразующего газа на распределение основных электромагнитных и тепловых характеристик внутри струйного ВЧИ разряда атмосферного давления.
По теме диссертации опубликовано 60 печатных работ, в том числе 1 монография, 12 статей в ведущих рецензируемых журналах, из которых 7 публикаций в центральных изданиях, включённых в перечень периодических изданий ВАК.
11
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА
1.1. Высокочастотный индукционный разряд и области его
применения
Плазма высокочастотного индукционного разряда представляет частично ионизированный газ, нагретый до высоких температур в переменном электромагнитном поле. Нагрев плазмы в электромагнитном поле можно условно рассматривать как обычное выделение джоулева тепла при прохождении переменного тока через проводящую среду.
В отличие от разрядов на постоянном токе, особенностью высокочастотного разряда является значительное снижение роли электродных процессов, в результате чего он может существовать и при отсутствии внутренних элекгродов, непосредственно контактирующих с плазмой. Разряд такого типа называется безэлектродным.
Свободные электроны в высокочастотном электромагнитном поле могут приобрести энергию, достаточную для возбуждения и ионизации молекул нейтрального газа. При сильном поле процесс ионизации приобретает характер лавины, и газ переходит в состояние плазмы. Пробой в ВЧ плазмотроне происходит под воздействием электрического поля индуктора или электродов, напряжённость которого может быть на порядок выше напряжённости индукционной э.д.с.
Существуют различные способы введения поля в разрядный объём. Например, возбуждающее поле может прикладываться к разрядному промежутку непосредственно с помощью электродов, соединённых с ВЧ генератором.
Разряд создаваемый под действием электромагнитного поля, может быть Н-разрядом или Е-разрядом. Е-разрядами называют те, в которых токи проводимости не замкнуты, а продолжаются в виде токов смещения. Разряды, в которых элементарные токи проводимости образуют замкнутые кривые, принято называть Н-разрядами. Механизмы разрядов типа Е и Н в
принципе одинаковы. Разбивка их на два класса справедлива, если длина волны ВЧ поля X велика по сравнению с длиной разрядной камеры Ьк. В этом случае цепь является либо чисто индукционной, либо ёмкостной. В соответствии с характером реактивного сопротивления газоразрядного промежутка возникает либо Н-разряд, либо Е-разряд. Пока проводимость газа мала, разряд прозрачен для поля и переменное поле, например индуктора, не в состоянии эффективно передавать разряду свою энергию. Однако, как только проводимость под влиянием увеличения напряжения на индукторе и„11Л достигает некоторой критической величины, возникают кольцевые токи, начинается эффективная диссипация электромагнитной энергии и наступает Н-форма безэлектродного разряда. При этом напряжение на индукторе падает и Е-разряд становится несущественным. Если X ВЧ ноля соизмеримо с как например, в случае резонансной Лехеровской системы, оба вида разряда существуют одновременно: Е-разряд происходит в пучностях напряжения, Н-разряд в пучностях тока.
Одним из важнейших параметров газовых разрядов является давление в разрядной камере. При низких давлениях (р от 1,33 Па до 133 Па) разряд является диффузным. В случае предварительной ионизации плазмообразующего газа диффузный разряд горит и при более низких давлениях вплоть до 0,133 Па. При давлениях, близких к атмосферному, разряд становится контрагированным и по существу представляет собой нестационарный дуговой разряд. При средних давлениях (р от 665 до 339 10' Па) разряд будет иметь переходную форму. В отдельную группу можно выделить также разряды, горящие при давлении выше атмосферного.
Разряд при атмосферном давлении зажигается в открытой камере, при этом через разряд с определенной скоростью продувается поток
плазмообразующего газа, который на выходе напоминает пламя
обыкновенной горелки.
Первые сообщения о ВЧИ разряде появились в 1884 году в работе [1]. Основы для современных экспериментальных исследований ВЧ
индукционного разряда были заложены Г.И. Бабатом [2,3]- Начиная с шестидесятых годов прошлого века, в отечественной и зарубежной печати появляется много работ, посвящённых теоретическому и экспериментальному исследованию ВЧИ разряда, а также его практическому использованию. Среди этих работ, прежде всего, можно выделить монографии С.В. Дресвина [4,5] и Ю. П. Райзера [6,7]. Наиболее полные обзорные материалы по исследованию ВЧ индукционного разряда представлены в работах Г.И. Бабата [8], В. X. Гойхмана и В.М. Гольдфарба [9], М. И. Якушина [10] и X. Эккерта [11]. Вопросы электро- и газодинамики ВЧ индукционных плазмотронов рассмотрены в работе H.H. Рыкалина и Л.М. Сорокина [12]. В работе [13] представлены экспериментальные и теоретические результаты, полученные при исследовании ВЧ индукционных плазмотронов атмосферного давления, а также рассмотрены разработанные теоретические модели ВЧИ плазмотронов на основе равновесной и двухтемпературной моделей плазмы. Вопросам экспериментального исследования ВЧ индукционной плазмы посвящена работа [14], в которой представлены различные методы её диагностики. Результаты экспериментальных и численных исследований представлены в работе МЛ. Boulosa и J. Mostaghimi [15]. В работах [16,17,18] рассмотрены вопросы, связанные с математическим моделированием плазмотронов и методикой расчёта основных параметров плазмы ВЧ индукционного разряда с номощыо метода контрольного объёма. Практическому применению ВЧ индукционных плазмотронов посвящены работы [19,20,21].
Плазма ВЧИ разряда при атмосферном давлении нашла достаточно широкое практическое применение и области её использования постоянно расширяются. Поток плазмы, генерируемой ВЧ плазмотроном, из-за отсутствия электродов не содержит примесей металла электродов, характерных для электродуговой плазмы и поэтому её применение даёт возможность получения особо чистых продуктов.
14
ВЧ плазменные горелки используются для изготовления монокристаллов из огнеупорных металлов и окислов (ниобий, тантал, молибден и др.) [22,23,24]; для сфероидизации порошков тугоплавких металлов, окислов, карбидов и других соединений [25,26,27]; для нанесения и получения покрытий с заданными свойствами [20,28,29].
В настоящее время широкое распространение получают технологии, основанные на применении ВЧ индукционной плазмы атмосферного давления для получения наноразмерных порошков различных металлов, а также их оксидов, нитридов, карбидов и нанесения покрытий различного назначения.
Таким образом, в связи с развитием плазмохимического синтеза и потребностями ряда отраслей промышленности в изделиях с высококачественными эксплуатационными характеристиками
(износостойкость, коррозийная стойкость, твердость, однородностью микроструктуры поверхности), практическая значимость струйного ВЧИ разряда атмосферного давления всё более возрастает. Это обусловлено тем, что ВЧ индукционные плазмотроны обладают рядом преимуществ. В частности, в них имеется возможность осуществлять нагрев любых газов до высоких температур, проводить химические реакции в особо чистых условиях и получать материалы с требуемыми свойствами. Исследования показали, что при работе в случае высоких уровней мощности, вводимой в плазму (сотни киловатт), эксплуатация индукционных плазмотронов обходится в несколько раз дешевле, чем дуговых. ВЧ плазменные установки стабильны в работе, позволяют изменять основные технологические параметры плазменной струи в широком диапазоне, просты по конструктивному исполнению, позволяют получать большие объёмы плазмы и имеют большой ресурс непрерывной работы (~2000 часов).
Однако к настоящему времени не предложено такой модели ВЧ индукционного разряда, которая позволила бы с достаточной степенью точности определить его основные электромагнитные и тепловые
характеристики в зависимости от величины расхода прокачиваемого через разряд плазмообразующего газа, что значительно затрудняет разработку инженерных методик расчёта ВЧИ плазмотронов. Поэтому для разработки и внедрения технологи1ческих процессов, основанных на применении плазмы струйного ВЧ индукционного разряда необходимо провести комплексное исследование структуры его электромагнитных и тепловых полей. С этой целью в последующих параграфах обзора более подробно рассмотрим работы, посвящённые экспериментальному и теоретическому исследованию струйного ВЧ индукционного разряда атмосферного давления.
1.2. Методы диагностики электромагнитных и тепловых характеристик струйного ВЧИ разряда атмосферного давления
Методы диагностики низкотемпературной плазмы в настоящее время достаточно хорошо разработаны как теоретически, так и на экспериментальном уровне [14, 30-34]. Однако только небольшая часть из них имеет отношение к плазме струйных ВЧ индукционных плазмотронов, горящих при атмосферном давлении. При этом существенное ограничение на возможность применения уже разработанных методов диагностики плазмы накладывает атмосферное давление и высокая напряженность ВЧ составляющих электромагнитного поля в разрядах.
Несмотря на эти ограничения, в ВЧ плазменной технике сформировалась группа методов, использование которых проверено практикой и которые позволяют получить необходимую и достаточную информацию о плазме ВЧ индукционного разряда атмосферного давления. К ним относятся, например, спектральные, радиотехнические, энтальпийные, радиационные, газодинамические и другие методы диагностики. При этом все существующие методы условно можно разбить на два больших класса: контактные и безконтактные.
16
Выбор того или иного метода обусловлен, прежде всего, требуемой точностью при проведении измерений, а также наличием диагностического оборудования и условий при которых они проводятся.
К основным достоинствам контактных методов диагностики низкотемпературной плазмы следует отнести то, что они технически сравнительно просты, обладают, как правило, несложной конструкцией датчиков, не требуют дорогостоящего оборудования для проведения измерений и обработки полученной информации. Кроме того, методика проведения самих измерений и обработки экспериментальных данных хорошо отработана.
Другим важным достоинством контактных методов - диагностики является то, что они могут быть использованы не только для определения тепловых, но и электромагнитных и газодинамических параметров плазмы.
Рассмотрим использование калориметрических датчиков при исследовании параметров ВЧИ разряда. Эти датчики используются для измерения тепловых потоков и по конструктивному исполнению делятся на точечные, линейные и плоские [4]. Измеряя термопарами изменения температуры теплоносителя можно найти тепловой поток на поверхность датчика.
Метод точечного калориметра позволяет измерять локальные значения теплового потока, так как величина тепловоспринимающей поверхности датчика мала, по сравнению с общим сечением плазменного потока. Это даёт возможность пренебречь градиентом температуры по его сечению и измерять тепловой поток в отдельной точке [35].
С помощью метода линейного (цилиндрического) калориметра можно получить радиальное распределение плотности теплового потока [36]. Датчик обычно представляет собой медный охлаждаемый капилляр, который перемещается в плоскости, расположенной нормально к потоку. Так как, линейный калориметрический датчик воспринимает тепловой поток всей боковой поверхностью, то в связи с этим возникает необходимость
17
применения преобразования Абеля [37] при расчете локальных значений. Но при этом данная конструкция датчика позволяет изготовить его с гораздо меньшим внешним диаметром, что даёт возможность повысить разрешающую способность при измерениях.
Метод плоского калориметрического датчика используется для исследования процессов теплоотдачи, происходящих при торможении нагретого газа на плоской поверхности. Он позволяет определять полную тепловую мощность газовой струи и распределение плотности теплового потока по радиусу нагретого газа [38].
Калориметрические датчики используются также и для определения температуры плазмы. Критериальные зависимости, описывающие теплоотдачу от плазмы к вносимому датчику, позволяют установить связь между тепловым потоком, скоростью течения плазмы и температурой [39-41]. При этом необходимые теплофизические характеристики газа могут быть найдены, например, по данным [42-47].
Точность нахождения температуры калориметрическими методами определяется целым рядом условий. Во-первых, правильностью выбора критериальной зависимости. Во-вторых, точностью в определении условий теплообмена. В-третьих, погрешностью теплофизических характеристик плазмы. В-четвертых, погрешностью измерений теплового потока и скоростью напора.
В [48] рассмотрена возможность использования калориметрического метода для нахождения электрических параметров разряда, в частности, проводимости плазмы.
Энтальпийные датчики по своей конструкции являются дальнейшей модификацией калориметрических датчиков. Их основное отличие заключается в наличии ещё одного внутреннего капилляра, через который производится отбор газа набегающего потока. Определение энтальпии основано на измерении теплового потока, воспринимаемого датчиком при отборе ионизованного газа через внутренний капилляр и без него. Измеряя
расход газа через капилляр, расход воды через датчик, и, определяя при этом изменение разности температур на входе и выходе из датчика, находят энтальпию газа, по которой уже можно определить его температуру.
Существуют два различных типа энтальпийных датчиков. Один из них был предложен Греем [49, 50], а другой С.В. Дресвиным [51]. Первый используется для исследования параметров плазмы непосредственно в зоне разряда, а другой на выходе плазменной струи из разрядной камеры плазмотрона.
Энтальпийный метод наиболее удобен и оперативен для определения температуры плазмы. К тому же, энтальпийный датчик конструктивно позволяет определять динамический напор в струе плазмы, для чего требуется только соединить выход центрального капилляра с микроманометром. Датчики такого типа описаны в [4]. Там же указано, что погрешность определения температуры датчиком составляет ±10%. При отсутствии в плазме термодинамического равновесия точность нахождения температуры уменьшается, но погрешность при этом не превышает ±20%. Усовершенствование метода касается в основном точности измерения расхода воды и ее температуры: при максимальном расходе воды получали минимальную ошибку измерения приращения температуры, и наоборот. Поэтому для повышения точности эксперимента необходимо оптимизировать процесс измерения по минимальной суммарной ошибке.
В работе [52] приводится сравнение данных по температуре, полученных с помощью датчика Грея с данными, полученными независимым оптическим методом. Показано, что в условиях, близких к локальному термодинамическому равновесию, имеет место удовлетворительное совпадение результатов, полученных этими двумя независимыми методами.
Метод динамической термопары, описанный в [4], относится к нестационарным методам измерения тепловых потоков и основан на измерении скорости нагрева слоя термопары, которая с помощью специального устройства, например электромагнита [39J, вводится в зону
19
разряда на короткое время. Время пребывания термопары в плазме определяется временем прогрева её до максимально возможной рабочей температуры, при превышении которой происходит сё термическое разрушение. Искомая температура плазмы находится путём интерполяции кривой нагрева [53].
Кроме измерения тепловых параметров, контактные методы диагностики позволяют получать информацию и об электромагнитных характеристиках разряда. Среди них можно выделить методы измерения проводимости плазмы по изменению параметров радиочастотных контуров -добротности [54-56], индуктивности [57, 58], импеданса [59, 60].
Датчики, использующие методы изменения параметров радиочастотных контуров, калибруются в эталонных растворах электролитов с известной электропроводностью, что делает эти методы весьма доступными на практике. Однако у методов есть некоторые ограничения по минимальным размерам датчиков. С одной стороны, датчик, меньшего размера обеспечивает лучшее разрешение в пространстве, но с другой, с уменьшением размера датчика возрастает погрешность, вызываемая неопределенностью профиля электропроводности в ближайшей окрестности датчика. Таким образом, необходимо выбирать размер датчика достаточно большим по сравнению с толщиной пограничного поля. На практике этот размер оказывается от 10 мм и больше, что довольно сильно снижает пространственное разрешение. Следует отметить, что, несмотря на такое « серьезное ограничение, эти методы имеют высокую чувствительность и позволяют вести измерения в широком диапазоне проводимости а, начиная
от малых значений 0,05-0,1 (ом -я*)4 [61]. Используя известные
соотношения ст(г), молено определить значения температуры в зоне разряда.
Для измерения напряженности магнитной составляющей высокочастотного электромагнитного поля индуктора применяют магнитный зонд, конструкция которого зависит от конкретных параметров разрядной камеры и разряда. Зонд должен обладать следующими основными
20
свойствами: высокой чувствительностью, обеспечивающей значительное превышение плазменного сигнала над уровнем электрических шумов, имеющихся в ВЧ индукционном разряде; достаточно хорошей частотной характеристикой, чтобы регистрировать наиболее быстрые изменения поля в системе. Кроме того, производимое им возмущение в плазме должно быть минимальным. Однако удовлетворить всем этим требованиям одновременно очень трудно, поэтому приходится искать компромиссные решения.
Магнитный зонд представляет собой цилиндрическую катушку малых размеров, которая вводится в плазму. Изменение магнитного потока, проходящего через катушку, вызывает появление на её концах сигнала, амплитуда которого пропорциональна скорости изменения потока. Обоснование этого метода можно найти в [31].
При использовании магнитного зонда для исследования высокочастотного индукционного разряда на воздухе при атмосферном давлении, возможны два подхода к решению задачи о его термической устойчивости.
Первый из них основан на использовании специального устройства для кратковременного ввода зонда в плазму. В связи с этим, магнитный зонд может быть реализован без водяного охлаждения. Описание данного метода приведено в работе [62]. В этом эксперименте магнитный зонд имел регистрирующий элемент в виде многовитковой катушки диаметром, 1 мм и длиной 3мм. Время пребывания зонда в плазме составляло около 0,3 сек, при этом скорость его движения в плазме достигала 100м/сек, а внешние части зонда нагревались до 150°С. Перемещение зонда вдоль оси индуктора
сочеталось с его ступенчатым перемещением вдоль радиуса разряда. Это дало возможность построить пространственное распределение напряженности магнитной составляющей электромагнитного поля, как в ненагруженном индукторе, так и при возбуждении в нем разряда.
21
Использование водоохлаждаемого магнитного зонда, описанного в [63, 64] значительно расширяет возможности исследователей при проведении экспериментов. В работе [63] в качестве регистрирующего элемента магнитного зонда использовалась катушка из 20 витков провода, расположенного в два ряда на тефлоновой трубке наружным диаметром
2,3мм и внутренним диаметром 1,5мм. Одновременно трубка служила для подвода охлаждающей воды к катушке. Катушка помещалась в кварцевый капилляр диаметром 3,2мм и толщиной стенки 0,4лш. При давлении в 4 атм, обеспечивался расход около 600 г/мин, что давало возможность зонду постоянно находиться в разряде. При его радиальном перемещении измерялся профиль магнитной составляющей поля в плазме ВЧИ разряда. В этой же работе рассмотрены также вопросы калибровки зонда, его резонансные характеристики и возможная величина ошибки измерения.
В работе [65] описано применение двойного магнитного зонда для определения изменения фазы А (р. Здесь вместе с подвижным магнитным зондом на границе ВЧИ разряда устанавливался аналогичный магнитный зонд, чтобы генерировать опорный сигнал Рг. Сигнал Рт от подвижного зонда создаёт фазовый угол <р с Рг и либо вычитается с ним, либо складывается с ним векторно. Измерением Рг, Рт, + Рт, Рг - Рт можно
получить сояср и, соответственно, изменение фазы.
Для измерения напряженности электрической составляющей ВЧ электромагнитного поля индуктора используют электрический зонд. Одна из возможных конструкций такого зонда приведена в работе [66]. Датчик имел форму петли из медного провода с фторопластовой изоляцией. При кратковременном помещении зонда в разрядную камеру на её концах наводилась э.д.с., пропорциональная величине Е(?. Использование зондов
различного диаметра позволило получить пространственное распределение вихревого электрического поля. При этом было установлено, что максимальное значение напряженности электрического поля находится у
22
стенки разрядной камеры. По мере приближения к оси разрядной камеры электрическое поле уменьшалось до нуля. Экспериментальная установка была оборудована специальным устройством для кратковременного ввода зонда в зону индуктора.
В работе [67] для измерения азимутальной составляющей напряженности электрического поля использовался водоохлаждаемый электрический зонд в виде петли диаметром 34мм из вольфрамовой проволоки диаметром 0,25 лш, помещенный в кварцевый капилляр внутренним диаметром 2 мм и наружным Злш. Диаметр кварцевой разрядной камеры составлял 40лш. При * этом, полученные значения напряжённости элекгрического поля на границе плазменного разряда согласуются с рассчитанными ранее величинами [68].
К следующей большой группе диагностических методов относятся безконтактные методы исследования плазмы, основным достоинством которых является то, что они не вносят возмущения в плазму, и, следовательно, дают неискажённую картину распределения параметров ВЧ индукционного разряда. Наиболее часто используются оптические методы диагностики плазмы. Применительно к термической плазме, их можно разделить на спектральные и интерференционные. Спектральные методы диагностики основываются на измерениях интенсивности спектральных линий, континиума и ширине спектральных линий. В свою очередь, методы, измеряющие интенсивность спектральных линий и континиума, можно разделить на методы измерения абсолютных интенсивностей и методы измерения относительных интенсивностей.
Метод абсолютных интенсивностей основан на сравнении светового потока, излучаемого плазмой со световым потоком от эталонного источника. В наибольшее распространение, в настоящее время, имеют два вида эталонных источников: вольфрамовая ленточная лампа и анод угольной дуги постоянного тока. Первый обладает наибольшей стабильностью. К его недостаткам относятся: необходимость точного поддержания силы тока и
23
периодической проверки начальной калибровки. Угольная дуга менее стабильна и менее удобна в обращении, но она не нуждается в специальной градуировке. Поскольку температура анодного пятна мало изменяется при изменении силы тока дуги в пределах нескольких десятых ампера.
Поскольку при определении абсолютной интенсивности следует стремиться к тому, чтобы интенсивность исследуемого источника и эталона была одного порядка, ленточные лампы следует применять для плазменных световых источников, имеющих температуру ниже 10000° К [4]. Подробные сведения об излучении вольфрама и анода угольной дуги приведены, соответственно, в работах [69, 70] и [71, 72].
Необходимо заметить, что согласно [73] погрешность сравнения интенсивностей меньше, если сопоставляются однородные элементы спектров: линия с линией, континиум с континиумом. Поэтому в настоящей работе выбран последний способ сравнения.
В некоторых случаях параметры плазмы можно определить по относительным интенсивностям излучения. В эксперименте возможно измерение: 1) относительной интенсивности двух и большего числа линий; 2) относительной интенсивности линий атома и иона; 3) относительной интенсивности линии и континиума; 4) относительной интенсивности континиума при двух длинах волн.
Хотя относительные излучения технически более просты, однако точность этих методов, как правило, ниже.
Применяется также методы диагностики плазмы по контурам спектральных линий.
При низких давлениях уширение спектральных линий обусловлено тепловым движением излучающей частицы (доплеровское уширение), но по мере увеличения давления на ширину спектральных линий начинает оказывать заметное влияние процесс флуктуации электрического поля, за счёт флуктуации концентрации электронов вблизи излучающей частицы (штарковское уширение).
24