Физика/ 3. Физика плазмы и плазменная техника

Д. т.н. Бахтаев Ш.А., к.т.н. Сыдыкова Г.К., Тойгожинова А.Ж.

Алматинский институт энергетики и связи

Разработка устройства для диагностики плазмы

коронного разряда

Известно устройство в виде микроволнового интерферометра, который состоит из высоковольтного источника для питания высокочастотного (микроволнового) генератора, волновой камеры, где расположены излучающий и принимающий рупоры, а также из различных вспомогательных элементов, например, ферритового вентиля, фазовращателя, усилителя видеосигнала, ослабителей и др. [1]. Предложенный метод основан на прохождении волн через плазму и определении величины фазового сдвига волн и степени ее ослабления в плазме, что, в конечном итоге, позволяет найти электронную плотность и частоту столкновений электронов в плазме.

Во-первых, предложенное устройство не пригодно для определения плазменных параметров чехла коронного разряда, так как оно предназначено для диагностики высокотемпературной плазмы, занимающей достаточно большой объем.

Во-вторых, микроволновой интерферометр отличается сложным аппаратурным обеспечением для измерения.параметров микроволн и трудоемкой обработкой экспериментальных данных.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, реализующее способ измерения неэлектрических параметров, которое содержит генератор высокочастотного напряжения, нагрузочный резистор, разделительную емкость и милливольтметр переменного напряжения [2]. Основным недостатком предложенного устройства является то, что оно предназначено для измерения неэлектрических величин, например, давления газа, геометрических параметров электродной системы и работает на фиксированных частотах, а вопросы резонансных явлений в чехле короны вообще не рассматриваются. Кроме того, из-за раздельного определения емкостной и разрядной составляющих переменного напряжения могут присутствовать существенные погрешности измерения.

Разработано устройство для диагностики плазмы коронного разряда, которое обеспечивает высокую точность измерения, одновременность измерения двух сравниваемых величин и упрощения измерительной аппаратуры и процессов измерения [3].

В основу разработки положены результаты экспериментальных исследований частотных характеристик коронного разряда при малых межэлектродных расстояниях (2-20мм) в режиме униполярной положительной короны [4].

На рисунке 1 представлена функциональная схема устройства для диагностики плазмы чехла коронного разряда.

Рис. 1. Функциональная схема устройства для диагностики плазмы

чехла коронного разряда

Предлагаемое устройство содержит две одинаковые камеры 1 и 2 с идентичными по форме и размерам электродами 3 и 4, высоковольтный источник питания 5 и генератор высокочастотного напряжения 6. Сигнальные выходы от двух преобразователей тока 7, в качестве которых служат резисторы, соединены со входами балансной схемы разности напряжений 8, тогда как выходной сигнал балансной схемы 8 подается на один из входов микропроцессора 9. На другие входы микропроцессора подаются через разделительные емкости С₁ сигналы от двух плеч (точки «а» и «б») камер 1 и 2. Высокое напряжение подается на основную камеру коронного разряда 1 через балластное сопротивление R^, а высокочастотное напряжение подается на обе камеры 1 и 2 через разделительные емкости С₂. Второе балластное сопротивление R_б, соединенное к точке «б» дополнительной камеры 2, служит для создания симметричности двух измерительных плеч устройства, что также ведет к взаимной компенсации высокочастотных наводок на них.

При подаче достаточно высокого напряжения отрицательной полярности на внешний цилиндр основной камеры между ним и коронирующим электродом в виде микропроволоки возникает коронный разряд, образуется устойчивая форма чехла положительной униполярной короны. При подаче высокочастотного напряжения на обе камеры происходит зондирование чехла короны в основной камере, тогда как в дополнительной камере протекает емкостной ток. Высокочастотные составляющие токов, проходя через камеры, регистрируются преобразователями тока, затем поступают на входы балансной схемы, где определяются их разности. Эти разности, только в случаях q_max, q₀ (q_d=q_e) и q_min, измеряются микропроцессором и одновременно определяются соответствующие им резонансные частоты f_max, f₀, f_min. Когда известны экспериментальные значения характерных точек q_d и f на кривой q_d(f) микропроцессор по заданной программе вычисляет значения n_е и v_m, соответствующие плазме чехла коронного разряда и все данные заносятся в таблицу.

I, мкА	10	20	40	60	80
qd, мкА/В	0,5	0,8	1,2	1,55	2,23
f0, мГц	0,38	0,532	0,666	1,0	1,12
ne, см^-^3	1,66·10^10	1,1·10^12	3,1·10^12	1,1·10^13	1,44·10^13
vm, см^-^1	4,8·10^13	7,0·10^13	1,45·10^14	3,2·10^14	4·10^14

Как следует из данных таблицы, значения n_е и v_m существенно зависят от величин, I, q_d и f₀. Хотя отсутствуют сравнительные данные в литературе, при расчете постоянного тока короны с использованием полученных данных n_е и v_m и известных значений подвижности электронов были замечены их высокие значения. Кроме того, также затруднительно представить, к какой области чехла относятся такие высокие значения n_е и v_m.

Таким образом, в целом решается комплекс задач по диагностике плазмы чехла короны: разработаны устройство и методика измерения высокочастотных сигналов, упрощена измерительная аппаратура и использованы методы компьютерной обработки экспериментальных данных.

Литература:

1. Диагностика плазмы. / Под ред. Хаддлстоуна Р., Леонарда С. М.: Мир, 1964, с. 415-419.

2. А. с. СССР № 428239, Бахтаев Ш.А. G 01/11/00, 1974.

3. Предпатент РК. Бахтаев Ш.А. и др. 16.04.2004, бюл. №2

4. Бахтаев Ш.А. Коронный разряд на микропроводах. Алма-Ата: Наука, 1984, с. 88-93.