Экспериментальное и теоретическое исследование одноэлектродного высокочастотного разряда

Тоболкин, Александр Савостьянович

Экспериментальное и теоретическое исследование одноэлектродного высокочастотного разряда тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Тоболкин, Александр Савостьянович АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

1996 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Экспериментальное и теоретическое исследование одноэлектродного высокочастотного разряда»

Автореферат диссертации на тему "Экспериментальное и теоретическое исследование одноэлектродного высокочастотного разряда"

РГб од

1 5 ДЕК 1935

На правах рукописи

ТОБОЛКИН АЛЕКСАНДР САВОСЬЯНОВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОЭЛЕКТРОДНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА

01.04.05 - оптика

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Томск - 1996

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы СО РАН.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Лопасов В.Г1.

доктор физико-математических наук, профессор Синкевич O.A. доктор физико-математических наук, Янчарина A.M.

Ведущая организация:

МГУ, кафедра физической электроники г.Москва.

Защита состоится 27 декабря 1996 года

на заседании диссертационного совета Д 200.38.01 в Институте оптики атмосферы СО РАН (634055, г.Томск, пр.АкадемическийД).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы СО РАИ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.ф.-м.н.

Веретенников В.В.

3 !

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ !

Одноэлектродный высокочастотный (ОВЧ) разряд [1,2], сформированный при атмосферном давлении, дополняет классифицированный ряд широко известных разрядов: дугового [3], коронного [4], сверхвысокочастотного (СВЧ) [5], высокочастотного емкостного и индуктивно-связанного [6].

Отсутствие второго электрода вносит специфику в управление характеристиками ОВЧ-разряда и организует в нем новые механизмы взаимодействия тепловых, газодинамических, акустических, электромагнитных процессов и механизмы воздействия на внешние объекты. ОВЧ-разряд с учетом своих особенностей может быть использован в создании новых приборов и технологий. Однако, к моменту начала работы (1976 г.) был известен ОВЧ-разряд только с узким диапазоном изменения температуры Т-3600+4300К и контрагированной формой плазменного канала, для которого отношение длины канала / к его радиусу г* составляет // г,>10. При этом мощность ОВЧ-разряда не превышала нескольких кВт.

Проблема получения ОВЧ-разряда с заданными свойствами, формами, с расширенным управлением удельной энергии является ключевой при реализации многих наукоемких приборов и технологий. Для реального применения необходимо выявить объектные закономерности, определяющие тепловые и газодинамические процессы взаимодействия плазменных каналов с окружающей средой, реконструировать физическую картину течений в целом.

Таким образом, актуальность исследований ОВЧ-разряда обусловлена:

- потребностью в данных о механизмах формирования плазменных каналов в пространственно неоднородном высокочастотном электрическом поле, о пространственных структурах стационарного, амплптудно-модулированного, импульсного ОВЧ-разрядов и их устойчивости к внешним изменяющимся условиям, о тепловых и газодинамических полях во всем объеме ОВЧ-разряда, включая поверхность раздела плазма-газ;

- потребностью в высокочастотных методах диагностики газо-плазменных потоков, в измерениях амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик ОВЧ-разряда и автоколебательных систем (АКС);

- потребностью в специальных высокочастотных АКС, осуществляющих управление удельной энергией в широком диапазоне при сохранении устойчивости открытого и экранированного ОВЧ-разряда;

- потребностью в одноэлектродных высокочастотных (ОВЧ) плазмотронах с системой поджига и возможностью получения разных режимов горения ОВЧ-разряда.

Цель работы.

Цель диссертационной работы состояла:

в выявлении объективных закономерностей, ответственных за формирование пространственно неоднородных тепловых и газодинамических нолей во всем объеме свободного и экранированного ОВЧ-разряда;

- в разработке методов расчета процессов протекания теплообмена в плазменном канале, на поверхности раздела плазма-газ и тепловых пограничных слоях;

- в разработке автоколебательных систем с расширенным диапазоном управления параметрами нагрузки;

- в разработке миниатюрных и повышенной мощности ОВЧ-плазмотронов для их использования в технологиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые исследованы газодинамические потоки, создаваемые ОВЧ-разрядом, с детализацией зон и структур. Обнаружены отрывные течения и переходные зоны, продольное и поперечное расслоение плазменных каналов с образованием многоструйных течений при сложной динамике развития. Измерены скорости газовых потоков и плазмы с помощью метода лазерной доплеровской анемометрии и специально разработанного метода фоторегистрации. Восстановлена картина пространственного распределения скорости потоков в условиях естественной и вынужденной конвекции. Разработан аналитический метод решения нелинейных дифференциальных уравнений газодинамики, с помощью которого рассчитаны распределения скорости потока с учетом сил вязкого трения.

плазме наблюдается на заметном расстоянии от острия электрода. Создан метод замыкания конечных соотношений при решении радиально симметричной задачи теплообмена.

3. Впервые получены диффузная, шаровая, многоканальная и т.д. формы устойчивых плазменных образований в самостоятельном ОВЧ-разряде. Разработаны способы преобразования одной формы плазменных образований в другую и способы устойчивого горения ОВЧ-разряда с взаимодействующими между собой плазменными образованиями различной проводимости и температуры.

4. Реконструирован механизм поэтапного формирования открытого ОВЧ-разряда. Показано, что формирование ОВЧ-разряда высокого давления начинается из плазменных ореолов, возникающих на определенном расстоянии от острия электрода. Увеличение размеров плазменных ореолов с одновременной перестройкой профиля температуры, перемещением его как целого к острию электрода, возникновение теплового слоя и конвективных потоков приводит к формированию стационарного ОВЧ-разряда.

5. Обоснован единый подход к решению уравнения энергии при комбинированном теплообмене. Реализован новый метод восстановления пространственного распределения температуры и удельной энергии в условиях существенно нелинейной функциональной связи с управляющего параметром и сложном профиле плазменного.канала.

6. Разработаны АКС для получения стационарных и амплитудно-модулированных ОВЧ-разрядов с предыонизацией. Впервые разработаны ЛКС для получения ОВЧ-разряда с самовозбуждением.

7. Разработаны особые приемы значительного повышения концентрации электронов в плазме, основанные на сжатии импульспо-периодического и амплитудно-модулированного ОВЧ-разрядов диэлектрическим капилляром с внутренним диаметром более 20 мкм.

импульсно-периодической подаче ВЧ-мощности в плазму, изменением топологии электрода и газодинамической обстановки в приэлектродной зоне.

Новизна разработанных способов и плазменных систем подтверждается авторскими свидетельствами и патентами.

При реализации каждого этапа научных и прикладных исследований диссертационной работы созданы предпосылки нового научного направления -физика устойчивого низкотемпературного ОВЧ-разряда.

На защиту выносятся:

формирование ОВЧ-разряда высокого давления происходит из плазменных образований малого масштаба, возникающих на определенном расстоянии от острия электрода;

- плазменные каналы стационарного, импульсно-периодического ОВЧ-разрядов с пространственно неоднородными полями температуры ограничены от горячего газа неизотермическими поверхностями (Тпов.'сопа1) при температурном факторе Т0/Т_ <2.2 и средней мощности, выделяемой на

Т»

единице длины Рп<5.3;5о (30 =

- увеличение температурного фактора в центральном плазменном канале То/Т.>1.4 приводит к скачкообразному переходу с образованием плазмы нового состояния;

- в стационарном ОВЧ-разряде продольная скорость потоков независимо от своего начального значения возрастает не более чем в 7 раз;

- продольное расслоение плазменного канала происходит при образовании в радиальном профиле температуры провала, вызванного либо изменением газодинамической обстановки в приэлектродной зоне, либо действием амплитудной модуляции.

2. Неравновесные устойчивые ОВЧ-разряды с самовозбуждением, возникающие в среде при подаче на электрод радиоимпульсов длительностью (6;-200)мкс и частоте повторения (10"" -;-30|кГц, среди которых:

- ОВЧ-разряд с трехслойным плазменным каналом различных форм и с вращающимися внешними слоями:

- ОВЧ-разряд атмосферного давления устойчивый в сверхзвуковых потоках, высокотемпературных потоках, в парогазовых смесях;

- ОВЧ-разряд с шароподобными образованиями на плазменных каналах.

3. Комплекс высокочастотных АКС мощностью (10 3-:-20) кВт, включающий:

- одноконтурные и многокоитурные АКС с управлением параметрами ОВЧ-разряда;

- релаксационные АКС с положительным смещением на управляющем электроде триода;

- метод расчета АКС с учетом отстройки и расстройки АЧХ и ФЧХ.

4. Комплекс ОВЧ-плазмотронов с диэлектрическими и металлическими разрядными камерами, включающий:

- ОВЧ-плазмотрон со стержневым электродом, обеспечивающий получение внутри разрядной камеры контрагировашгую, диффузную и шаровую форму плазменного образования;

- ОВЧ-плазмотроны мощностью до 20 кВт с кольцевыми и полыми электродами с системой поджига и вихревой стабилизации ОВЧ-разряда;

- капиллярные ОВЧ-плазмотроны с повышенной степенью ионизации газа в диэлектрических капиллярах диаметром (20-к500)мкм.

Достоверность выводов диссертации обеспечивается:

- высокой точностью используемых методов диагностики плазмы и газодинамических потоков;

- прямым сопоставлением расчетных данных с данными физического эксперимента;

совпадением полученных режимов горения ОВЧ-разряда с предсказанными теоретическими расчетами.

Научная и практическая значимость.

1. Неравновесный ОВЧ-разряд с самовозбуждением и повышенной устойчивостью может быть использован: для создания новых типов плазменных спектрометров,в качестве учебного пособия при изучении физики плазмы и в разнообразных технологиях (обработка бумаги, тканей, диэлектрических

материалов, очистка и изменение свойств полупроводниковых материалов, резка стекла, сварка кварцевых световодов и т.д.).

2. Созданные АКС для получения открытого и экранированного ОВЧ-разрядов могут найти применение в качестве физиотерапевтических и электрохирургических медицинских приборов при проведении сложных хирургических операций на сердце, легком, почках, печени, внутри половых органов, для лечения десятка кожных заболеваний.

Капиллярные ОВЧ-плазмотроны - для получения озона, окислов азота, новых веществ, а также в качестве капиллярных источников света и капиллярных лазеров.

4. Амплитудно-модулированный ОВЧ-разряд может найти применение в качестве акустического излучателя, газовой линзы или рефлектора для управления лазерным излучением.

5. Разработанные методы диагностики газо-плазменных потоков использованы в исследованиях квазистационарных газовых разрядов высокого давления и неизотермических потоков.

6. Полученные теневые фотографии и созданные видеофильмы служат иллюстрациями для формулирования новых теорий плазменных и газодинамических течений.

7. Аналитические методы восстановления одномерного и двумерного тепловых полей универсальны и позволяют описывать пространственное распределение температуры в разнообразных тепловых неоднородностях, включая разряды, пламена, разогретые цилиндрические тела.

Апробация.

Основные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 1979); III Всесоюзном совещании "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов" (Москва, 1979); IX Всесоюзной конференции "Применение токов высокой частоты и электроэнергии" (Ленинград, 1981); II, III Всесоюзной

Во второй главе теоретически исследованы процессы теплообмена в газовом разряде с внутренним источником тепловыделения. Анализ процесса теплообмена проводился посредством преобразованного уравнения энергии (1) в виде

где vy- обобщенная функция, которая в неявном виде характеризует комбинированный теплообмен, процесс уноса тепла конвекцией и излучением.

На первом этапе проведены решения уравнения теплопроводности (¥ = 0) с использованием модельных профилей S(r) и qfrj. Показано, что для каналовой модели (q(r)~- const, 0<r <г. г.- радиус плазменного канала) точность известного выражения

Р, -- nr;q = 4jt(S0 -.9.), = S(0); S. = S(r.) (6)

значительно повышается (на 50%) при условии равенства Рп (Рп =(Р„а + Р„)/2) полусумме максимальной и средней мощностей.

Отмечено, что с помощью вариационного метода невозможно получить замкнутую систему интегральных соотношений, т.е. не удается получить дополнительную функциональную зависимостьSa = 5(5.).

Существующие принципы и дополнительные предположения, используемые (из-за введения модельных параметров) для получения замкнутой системы уравнений, не имеют строгого обоснования и носят характер эмпирического правила [3-5].

Поэтому разработан новый метод функциональной аппроксимации, основанный на представлении

S{r) S, ■ exp^-ar1 /^ ), 0 < г < », (7)

где а- коэффициент, г0-радиус, при котором значение удельной энергии Ч(га) ~ Ч равно своему среднему значению. С учетом (7) из (5) (уг - 0) находим, что

?(г) , ^Lex^-arWXl - аг/г^ ). (8)

В зависимости от условий однозначности получим два выражения для средней мощности:

Р, = 4.6250, (9)

Р„ =4я:50аехр(-а2) = 5.3,Х0; а =0.618..., (10)

где а • число, называемое золотым средним.

В данной постановке задачи получаем дополнительное соотношение:

5. = (11)

из которого следует, что граница раздела плазма-газ (<у — 0) устанавливается там, где фактор неоднородности ¿'0 / 5, = 2.7.

С учетом степенной зависимости Л{Т) = Ац^ру, ^ отношение

= (^'у/у ^^ оказывается меньше ~ 2.2, т.к. п>1.

Проведено решение уравнения (5) с условиями однозначности при наличии комбинированного теплообмена (ч^О). Такое решение возможно, если

Ч^.г) = Щ-сщ{-апгг1г;\\ -апг'М). (12)

го

где В и п- константы, подлежащие определению.

При этом получено,что < 5.3Л'0 и наиболее вероятное значение

К' 2*4 V (13)

Усиление процессов теплообмена уменьшает Рп более чем на 60%. Кроме этого, следует, что при неограниченном распространении тепла (из (7) 5'(/-)->0, /--> оо) наблюдается эффект локализации области поглощения электромагнитной энергии (из (8) = г/г0 - а '12 ), а дополнительные

механизмы теплообмена (из (12) Ч'(г) = 0, г/г0 =(ап)"2) будут также способствовать локализации плазменных образований.

Результаты второй главы служат основой для теоретического обоснования метода решения двумерного уравнения энергии стационарного разряда.

Третья глава посвящена теоретическому моделированию двумерных тепловых и газодинамических полей локализованных плазменных образований.

Проведено решение двумерной задачи с неоднородными граничными условиями и с учетом экспоненциального закона распространения электромагнитной волны вдоль плазменного канала. Решение осуществлено с применением вариационного метода с разделяющими переменными, при этом параметр разделения переменных равен коэффициенту поглощения (рассмотрен резонансный случай). Проведены расчеты двумерного поля температур и сравнение с экспериментальными данными для малых значений управляющего параметра г -кг., (к- коэффициент поглощения). Отличие расчетных данных от экспериментальных не превышает 10%.

Выявлена существенная зависимость Т{г, г) от г и слабая от q. Показано, что осевое распределение T(0,z) имеет немонотонный вид с максимумом на расстоянии ;>г.от границы плазмы, которая локализуется в неоднородном тепловом поле при условии Т„/Т, < 1.5.

Намечен путь построения математических моделей нового типа с преобразованием S(q,r,z)-> Sfr,r,zJ и q (S,r,z)->q fr,r,z).

Получено решение двумерного уравнения теплопроводности д\я произвольного значения т. Из анализа решения в аналитическом виде выявлено, что при определенных отношениях Smlx/S0 происходит скачкообразное изменение параметра т и безразмерной энергии q, приводящее к образованию пространственно неоднородного плазменного образования другого состояния. Такие фазовые переходы обнаружены экспериментально.

Разработан аналитический метод решения уравнения энергии (1) в виде

О =■= / Я, 0<:, 0<г < да.

В разработке метода учтены выявленные опытным путем следующие свойства ОВЧ-разряда:

а) плазменный капал изолируется от внешнего горячего газа неизотермической (Тпов*соп51) контрастной поверхностью;

(14)

б) радиальный профиль температуры имеет одногорбный вид (рис.1) или двугорбный вид с плавным переходом в одногорбный (рис.2);

Рис.2. Двумерное иоле температур в Рис.1. Двумерное „оле температуры в плазменном канале с двугорбым и одногорбым

плазменном канале (эксперимент). „рофииши (эксперимент).

в) форма плазменного канала близка к форме эллипсоида вращения с воронкой в приэлектродной зоне (рис.3);

г) самопроизвольно происходит расслоение плазменного канала при горении разряда с одного острийного электрода.

Решение (14) найдено методом функциональной аппроксимации, заключающейся в представлении

£(т,Р>тО = е^'Л(рК^(л); (15)

р = —;т] = — ;Щр) = С1р* +Стрг +С3;

г(^) = с4т]2 +с5п+с6,

где коэффициенты С] С6 являются функциями от г. Полученные решения (14) являются неограниченными (0 < 5 < ю,0 < с/ < со), оказываются связанными с кодами золотого сечения и характеризуют существенную нелинейную зависимость Б и от параметра х:

М~Гг,г2,г3.....т*) (16)

Проведены расчеты двумерного распределения 5(р,г}) и ч(р.ц) в зависимости от т и функции С. Анализ расчетных данных показал, что для различных т имеет место перестройка профилей р,г]) и а( р,ц) из

одногорбного в двугорбный и обратно, при этом поверхность раздела плазма-газ является неизотермнческой и определяется условием у = 0.

Рис.3 Тсрмпграмма плазменного канала (1), сформированного посредством острийного электрода (2}.

Рис 4 Пространственное распределение потенциала Я для Г - 0 28 [расчет).

На рис.4 представлено распределение Л'(/\'/) г = 0.28 и 7,= 5,

определенное по осевому профилю температуры (рис.2). Наблюдается хорошее соответствие экспериментальных и расчетных данных Т(р.т/) и г. = г.(т;). На рис.5 представлено распределение безразмерной удельной энергии О для г = 0.28. Как видно, глубина провала в зависимости Qlp.il! значительно больше, чем в распределении р,т]).

Отмечено, что для определенных значений г при уменьшении доли конвективного теплопереноса радиальные профили д и 5 имеют двугорбый профиль, приводящий к продольному расслоению одного плазменного канала на два с перераспределением поглощаемой мощности, а влияние вынужденной конвекции приводит к уменьшению потенциала 5 в (1.6 2) раза, что подтверждается из анализа решений одномерных моделей, описанных по второй главе.

Подробно исследованы характеристики воздушных ОВЧ-разрядов атмосферного давления, сформированных под действием смешанной конвекции. Изучены основные закономерности конвективных потоков с использованием интегрального уравнения теплового баланса, уравнений неразрывности (2) и движения (3). Сформулировано нелинейное уравнение вертикальной конвекции в виде:

(¡-2AV)^-AV 2 = (17)

a i] с t] a rf

A= • Г = - I

52p„jLg' Jig'

где к - коэффициент определяемый тип профиля Vz(r)\ 8 - толщина теплового слоя; L - длина плазменного канала.

од

/ \ 1 / \\гС5 л

Рис. 5. Радиальное распределение удельной энергии О для Т = 0.2В : 1 -П = О.Ь;2-т| = 1 ~ 2.0.-4-Ч = 3.0; 5-т]-4.0.

Без учета сил вязкого трения уравнение (17) преобразуется к виду:

, , </"Т ¿V

— = 0. (18) аг}~ аг}

Получено аналитическое решение уравнений (17) и (18).

В частности, решение уравнения (18) можно записать в форме: 4 IV 4

—.-1П/ДК-2/+---= + С , (19)

в- В В2 1

где В и С константы, определяемые из граничных условий.

Показано, что ускорение газа вдоль плазменного канала может происходить в ограниченных пределах. Создан мегод расчета геометрических параметров и теплофизических характеристик конвективных потоков. Отмечено, что увеличение продольной скорости потоков вдоль плазменного канала возможно в 7.2 раза. Получены данные измерения скорости К., мощности разряда IV , среднемассовой температуры 7' на конце плазменного канала. Расчетные и

экспериментальные данные представлены в таблице №1, где в числителе -расчетные данные, в знаменателе - экспериментальные данные.

Таблица № 1

Параметры свободного ОВЧ-разряда

W„, Вт у Т, К 5, см L, см Vz, м/с

1,5 0,32

15 800 0,6 1,5 0,37

3,5 0,45

44 1000 0,8 3,0 0,46

12 1,15

450 1300 1,6 12,4 1,25

Кроме того показано, что под влиянием сил трения скорость потока уменьшается на 40%, а увеличение мощности разряда в 10 раз приводит к увеличению толщины теплового слоя вдвое.

Четвертая глава посвящена разработке методов диагностики ОВЧ-разрядов высокого давления. Особое внимание уделено методам измерения температуры, концентрации электронов, различных компонент скорости и методам визуализации газо-плазменных потоков, позволяющих играть важную роль в углублении физического понимания сложных газодинамических течений на фоне многообразных стационарных и нестационарных плазменных процессов. Рассмотрены важные вопросы однозначности в определении абсолютных значений исследуемых характеристик и геометрических координат изображения объекта на фотоносителе по значению почернения, в частности, под действием модуляции. В работе использовались методы теневой фотографии: метод нити в фокусе; метод ножа и щели; метод расфокусированных решеток. Описаны способы измерения размеров плазмы высокого давления по контрастным границам и обнаружения поверхности раздела плазма-газ. Доказано, что поверхность плазменного канала является неизотермической: температура по сечению плазменного канала в приэлектродной зоне изменяется не более чем на 20%, а на конце плазменного канала температура уменьшается на (40 -^50)%. На основе экспериментальных

данных выявлены разнообразные вихревые течения, упорядоченные структуры, продольные и поперечные расслоения плазменного канала. В частности, показано, что при продольном расслоении плазменный канал распадается на (2 -5-7) плазмепных шпуров. По теневым фотографиям реконструирована полная картина течения на расстоянии 60 см и более, включая зо1гу течения вокруг плазменного канала, переходную зону и турбулентный поток. На рис.6 представлены теневые фотографии конвективных потоков, создаваемых ОВЧ-разрядом мощностью (15^-45)Вт в открытом пространстве.

Рис.6. Теневые фотографии упорядоченных структур, возникающих в переходной зоне.

Представлены экспериментальные результаты измерения температуры и разнообразные тенеграммы, иллюстрирующие сложные газо-плазменные течения.

Описаны методы измерения скорости газо-плазменных потоков: метод треков, метод лазерной доплеровской анемометрии и метод фоторазвертки с фиксацией меток времени, траектории движения оптических неоднородностей, оси плазменного капала и его длины по периодическому полю почернения на фотограмме.

С применением усовершенствованного метода фоторазвертки и метода треков проведены измерения:

- продольной скорости потоков и флуктуации скорости свободного ОВЧ-разряда;

- продольной скорости потоков внутри разрядной камеры с аксиальной и вихревой стабилизацией разряда;

- скорости капель жидкости, введенной в плазму;

скорости перемещения и амплитуду радиальных колебаний приэлехтродного пятна плазменного канала.

Выявлено, что за свободным концом плазменного канала скорость потоков уменьшается с уменьшением температуры, а вдоль плазменного канала продольная скорость возрастает с относительным изменением в (4-7) раз.

Описан метод лазерной доплеровской анемометрии (АДА), построенный по дифференциальной схеме прямого рассеяния с гелий-неоновым лазером мощностью 15 мВт, с помощью которого получены данные измерений радиальной скорости в диапазоне V,- = (4-20) см/с, а продольной - V? — (0.2-8)м/с. Сформулировано и решено волновое уравнение для описания флуктуации показателя преломления. Показано, что при глубокой амплитудной модуляции провести измерения скорости потоков не представляется возможным.

Представлены результаты измерений пространственного распределения скорости потоков внутри разрядных камер в реальном режиме работы плазмотрона, радиальной и продольной скорости свободного ОВЧ-разряда. Проведены сравнения результатов измерений продольных скоростей, полученных методом треков, фоторазвертки и АДА (рис.7).

распределениях скорости вызваны

тем, что методом треков и АДА

измеряется скорость частиц внутри

Рис.7. Скорость в ОВЧ-разрядс. сформированном под дрйсгвисм смешанной конвекции-о - метод треков- • - метод ЛДА; » - метод фоторазвертки.

Выявлено, что отличие в

0,2

12 см плазменного канала, а методом

К "/с

фоторазвертки осуществляется измерение усредненнойпо сечению теплового

слоя продольной скорости потока. Восстановлен профиль продольной скорости в плазменном канале и тепловом слое открытого ОВЧ-разряда (рис.8).

Рис.8. Радиальное распределение продольной скоросж в объеме открытого ОВЧ-разряда мощностью 450 Вт: •-z = 3 CM; e-z = 9cM. °-7.~ 14см.

-2-10 1 2 г, I

Описан метод инфракрасной термофафии для изучения ОВЧ-разряда, сформированного в

воздухе атмосферного давления мощностью (10 -ь45) Вт. Представлены тенеграммы и результаты их обработки.

Из проведенного обобщенного анализа экспериментальных данных доказано, что:

1. При зажигании ОВЧ-разряда с предыонизацией плазменный канал начинает прорастать с плазменного ореола, возникающего вокруг частиц, сносимых с плавящегося вспомогательного электрода. При этом процесс увеличения размеров плазменного канала происходит через перестройку двумерного распределения температуры с одновременным перемещением плазменного образования как целого в сторону острия электрода. Поэтому создание плазменного предвестника на определенном расстоянии от острия электрода является обязательным условием формирования всех типов ОВЧ-разрядов;

2. Плазменные слои с осевой симметрией разделены контрастными границами (рис.9), которые устанавливаются па расстоянии, где температура практически уменьшается на 40%. Таким образом, в неоднородном плазменном канале стационарного ОВЧ-разряда формируется такое поле температуры, в котором максимальная температура будет отличаться от температуры на границе плазменного канала не более чем на 40%;

3. Между цриэлектродным плазменным пятном и поверхностью основного электрода образуется прослойка газа с Т =(900 -т-1400)К толщиной (150 -200)мкм.

Кратко описан спектроскопический метод, основанный на использовании

1.0

линии бальмеровской серии Нр_ Результаты измерений показали, что в аргоновой плазме достигается максимальная концентрация электронов Ь1е =(1.7

±0.2) Ю15см 3 при температуре электронов Тй =(0.4 ^0.7)эВ. Спектр излучения воздушной плазмы представлен на рис.10

620 660 700

Дпинл колны{пт)

Рис.9. Плазменный канал с контрастными границами

Рис 10. Спектр излучения воздушного ОВЧ-разряда с самовозбуждением

Обоснована корректировка формулы для определения магнитной индукции. Показано, что изменение тока разряда при перемещении воздушного трансформатора тока вдоль электрода связано не с затуханием электромагнитной волны, а с ограниченными размерами плазменных каналов. С учетом этого точность измерения высокочастотного тока повышается более чем па 200%. Обнаружено, что форма резонансных кривых имеет двуторбный вид (рис.11), а величина относительной отстройки соизмерима с величиной относительной расстройки. Показано, что увеличение мощности разряда приводит к уменьшению резонансной частоты АКС.

В пятой главе проведен анализ колебательных режимов нелинейных активных элементов (НАЭ), имеющих принципиальное значение для получения ОВЧ-разрядов с заданными свойствами. Рассмотрены принципы работы НАЭ с электростатическим амплитудным управлением. Описан метод анализа колебательных режимов с помощью широко известного метода утла отсечки с

Рис п. Амплитудно-частотные характеристики АКС (1„ = 36.6МГц)

Правая АЧХ получена при работр АКС без ОВЧ-разряла.

допущением о противофазпости переменных напряжений на аноде и управляющем электроде. Представлена система уравнений для расчета НАЭ в режиме класса С с учетом энергетических потерь в НАЭ, колебательных контурах и ОВЧ-разряде. Показано, что для повышения точности расчета характеристик НАЭ необходимо использовать метод неизменных токов, при котором характеристики анодного и сеточного токов рассматриваются в координатной системе, где анодное напряжение откладывается по оси абсцисс, а напряжение управляющей сетки - по оси ординат. Показано, что только при таком рассмотрении используются реальные характеристики, соответствующие закону степени трех вторых. Описан способ расчета НАЭ методом неизменного тока, в котором начальная стадия расчета определяется задаваемой мощностью ОВЧ-разряда, потерями в колебательных контурах и углом отсечки. Представлены результаты расчета амплитуд гармоник анодного и сеточного токов, основанные на формулах, полученных при условии нахождения мгновенных значений токов по динамическим характеристикам и отсчитываемых через временные утлы 15е. Показано, что уточнение расчета по сравнению с расчетом режимов НАЭ, связанных с линеаризацией анодно-сеточпых характеристик, повышается на -50%. Сделан вывод о том, что метод неизменных токов может быть основополагающим для любых типов НАЭ с контролем точности расчета характеристик. Изложен метод расчета эквивалентного сопротивления Кэ в зависимости от мощности ОВЧ-разряда. Представлены расчетные значения для нагрузки мощностью до 20 кВт. Показано, что увеличение мощности разряда приводит к уменьшению Из, что существенно ограничивает управление мощным ОВЧ-разрядом по сравнению с маломощным.

Шестая глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям АКС для получения ОВЧ-разрядов. Представлены основные формулы для расчета собственных и вносимых реактивных и активных компонентов параллельного колебательного контура (ПКК). Проанализированы два понятия обобщенной расстройки, представляющей собой как произведение добротности на удвоенную относительную расстройку и как отношение всех реактивных компонентов ПКК к его активным сопротивлениям (как тангенс фазного угла). Показано, что если в выражении для относительной расстройки приведена нормировка к собственной частоте ПКК, то два понятия обобщенной расстройки являются не эквивалентными. С учетом этого описана полная теоретическая модель для ПКК с потерями и вносимым импедансом, а также с учетом отстройки и расстройки. Отмечено, что выражение для расстройки существенным образом отличается от общепринятого. Показано, что с учетом отстройки необходимо проводить двойную перенормировку: одна перенормировка связана с тем, что вносимое реактивное сопротивление Хвн в обязательном порядке имеет характер С-цепи; а вторая перенормировка связана с тем, что резонансная частота шр отличается от. собственной частоты о)0 ПКК.

Описан метод получения формул для расчета АЧХ и ФЧХ при Хвн =0 и Хв„ / О.Показано, что экстремум нормированной АЧХ имеет место в области верхних частот а > а р (но не при со = о р ), полосу пропускания на уровне 3 дБ необходимо определять с использованием построения резонансной кривой, которая имеет несимметричный вид, так как в ПКК с потерями даже при наличии только собственных индуктивности и емкости наблюдается неравенство реактивных сопротивлений (Хс^ > Х^). Отмечено, что при кпд АКС 11 = 0.6 -ь0.8 за счет потерь в НАЭ значение суммарной добротности АКС мепыне значения собственной добротности ПКК на (11 +18)%, а общий кпд АКС равен г|о6[Д = 0.4 -Ю.бЗ.

Далее описаны разработанные двух- и трехконтурные АКС с автотрансформаторной и трансформаторной связью, АКС с длинными линиями и релаксационные ЛКС. Отмечено, что основное различие рассмотренных АКС от широко известных заключено в том, что они работают на нагрузку с

большими значениями импеданса при определенных способах подключения плазмообразующих электродов к колебательным контурам. В первую очередь рассмотрена схема АКС с автотрансформаторной обратной связью и автоматическим смещением. Проведен полный теоретический анализ возможных автоколебательных режимов. Сформулированы требования к схемам замещения. Проведены оценки собственных значений емкостей ОВЧ-разряда. Предложено эквивалентную схему ОВЧ-разряда представлять в виде последовательного соединения приэлектродной емкости с параллельной КС -цепью, состоящей из активного сопротивления плазменного канала и собственной емкости носледнего относительно электродного узла или разрядной камеры. Проведен теоретический анализ схем замещения. Определены функциональные зависимости АЧХ и ФЧХ и условие резонанса. Из условия резонанса следуют три возможных автоколебательных режима. При этом отмечено, что подход к теоретическому анализу, основанному на преобразовании двухконтурной схемы в одноконтурную посредством выявления вносимых реактивных и активных компонент нагруженных ПКК, является неприемлемым. Определены реактивные компоненты ОВЧ-разряда. На основе проведенных расчетов показано, чго значения приэлектродной емкости изменяются в ограниченном диапазоне, а передача ВЧ-энергии осуществляется за счет токов смещения и ОВЧ-разряд практически является разрядом емкостного тина, только с тем исключением, что приэлектродная емкость устанавливается в режиме самоподстройки. Данные по измерению фазовых углов и ВАХ не выходят за пределы, определяемые расчетами по разработанной модели. Определено, что если фазовый угол между током и напряжением равен ¡р -- (78 ^86)° при напряжении на электроде не менее

2кВ, то активное сопротивление плазмы равно Кн = (0.5 +2.0) кОм.

Описаны разработанные АКС с дополнительными реактивными связями, обеспечивающие повышенную устойчивость горения ОВЧ-разряда. Из анализа функциональных зависимостей АЧХ и ФЧХ определены оптимальные параметры АКС, при которых устойчивое горение ОВЧ-разряда можно обеспечить увеличением фазового угла между током и напряжением на плазмообразующем электроде.

Проведен анализ эквивалентной схемы АКС с индуктивно-связанными контурами. Отмечено, что с помощью таких АКС изменение характеристик ОВЧ-разряда возможно в относительно узком диапазоне.

Кратко описаны АКС с длинными линиями и мощностью ОВЧ-разряда (1 -г200)Вт. С помощью таких АКС передача ВЧ-мощности производится по низкоомным коаксиальным либо триаксиальным кабелям на расстояние до ( 6 +! 0] м при условии самостоятельного зажигания ОВЧ-разряда с острийного электрода. Представлены схемы АКС с одним, двумя и четырьмя НАЭ с передачей ВЧ-мощности по двум параллельно подключенным триаксиальным кабелям. На базе таких АКС разработаны плазменные скальпели для проведения операций на паренхимантозных и полых органах, физиотерапевтические приборы для лечения кожных заболеваний, плазменные технологические установки для резки стекла и тонкой очистки полупроводниковых материалов и т.д. у ' п ,

Изучены динамические процессы в релаксационных АКС, схема которой представлена на рис.12. С помощью данной АКС впервые получен сильно неравновесный ОВЧ-разряд с самовозбуждением. Выделены следующие отличительные признаки релаксационных АКС:

- импульсы постоянного анодного тока, питающие НАЭ, существуют при слабом изменениии постоянного напряжения;

- в НАЭ процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию высокочастотных колебаний происходит при положительном зпачении автоматического смещения (10 + 30)В (напряжение отсечки триода составляет.

Рис. 12. Схема релаксационной АКС.

(-50 -20}В);

радиоимпульсы существуют при отрицательной обратной связи, приводящей к уменьшению амплитуды автоматического смещения с одновременным увеличением амплитуды ВЧ-тока;

- длительность радиоимпульсов определяется процессами перезарядки емкостных сеточных элементов с отрицательных значений в сторону положительных значений сеточного напряжения и обратно;

самовозбуждение ОВЧ-разряда происходит в момент появления радиоимпульса на электроде различной конфигурации с радиусом кривизны менее 300 мкм.

_£>

Для данных типов релаксационных АКС представлены экспериментальные и расчетные данные. На рис.13 представлены эпюры токов напряжений и токов на электродах НАЭ (£'„./„. Ус, ¡с) и на плазмообразующем электроде (К,,/3). Приведены основные результаты динамических характеристик, установлены основные закономерности релаксационных АКС. Доказано, что самовозбуждение ОВЧ-разряда с пиковой мощностью (50 ¡-500] Вт и средней (0.5-М)Вт происходит при: анодном напряжении (1500-:-4000)В; пиковом значении тока (20-н500)пгА; длительности импульсов (6-200) мкс и частоте повторения импульсов (10~4-:-30)кГц. Выявлены следующие особенности процесса зажигания ОВЧ-разряда. С момента появления радиоимпульса с несущей частотой (ЗО^бО)МГц вблизи острийного

рис.13, эпюры напряжений и электрода возникает один, два или три плазменных токов на электродах нелинейного

активного элемента и на микроочага, неимеющих непосредственного плазмообразующем электроде.

контакта с острием электрода. Затем из этих микроочагов прорастают основные центральные плазменные каналы, вокруг которых формируется через контрастные границы 2-3 плазменных слоя,

причем внешний пла<чецныи слой вращается относительно центрального плазменного канала Причиной образования той или иной формы плазменных каналов является, длительность, частота повторения радиоимпульса, форма электрода и газодинамическая обстановка в пространстве формирования плазменного канала (рис М.!^)

При длительности радиоимпульса > 40 мкс и частоты повторения < 1 кГц создаются плазменные каналы с шароподобными образованиями (выделено четыре типа), многообразные ветвистые структуры, которые непрерывно видоизменяются, перок м>так >тся. исчсчнют и образуются вновь.

На рис.!6 представлена фп типа шароподобных обраюнпннн. Показано, что р плазменных каналах р,:дпус.1 |0 01-10)мм и длины |()3-/1см газовая температура меняется в диапазоне от 4«ЮК до 1аООК, а пиковое значение концентрации электронов достигает значении 2 101 см

Седьмая глава посвящена описанию основных процессов в ОВЧ-плазмотронах нового поколения с дич\«ч фп'рх-кими я металлическими разрядными камерами

Рассмотрены сгацион ¡рные режимы работы ОВЧ-п.лазмотронов Проведен расчет тепловых и 1 \ек гролшымичсских характерно ; ик ОВЧ-плазмотронов с контрагнропанным пла (»'сниич каналом Представлены расчетные данные н сравнении с экспериментальными данными. 1 1ока чип, что рост плазменного канала наблюдает'я до сычения К// (К - радпу рм ¡рядной камеры)

Параметры экранированного воздушного ОВЧ-разряда

Эксперимент Расчет

Я103 ^•Ю3 Р / 0103 Р* I г.-¡(Я

м м кВт м кг/с кВт/м м кВт м

17 5 2.5 1.8 0.4 0.9 4.5 0.38 1.7 2.52

30 4.5 8.7 1.0 3.6 8.5 0.95 8.1 4.25

38 4.8 15.5 1.3 5.4 17.2 1.30 15.2 4.95

50 5.5 24.0 1.8 7.2 14.3 1.75 2 5,! 5.48

Отмечено, что разрядные камеры с Я<510 "м накладывают ограничения нг. вводимую в разряд мощность. Представлены результаты измерений геометрических параметров, продольной скорости и ВАХ в зависимости от тепловой мощности ОВЧ-разряда. Показано, что продольная скорость вдоль разрядной камеры для мощности разряда Р—(500 ^2200)Вт растет практически линейным образом, но в ограниченных пределах (не более чем в 4 раза)(рис. 17), а при вихревой стабилизации разряда наблюдается двугорбый профиль скорости

Рис.17. Распределение продольной скорости в зависимости от безразмерной длины при ламинарной подаче газа:

1-Р = 550Вт. С = 0.75г/с; 2-Р= 1100Вт, С = 0.7Ы/с;3-Р = 1800, С = 0.75г/с; 4-Р=2200Вт,С = 0.75г/с; 5-Р = 550Вт, С = 1.5г/с; 6-Р=И00Вт, С=1.5г/с; 7-Р= 1800Вт, С= |.5с/с.

Описан способ поджига ОВЧ-разряда высокого давления внутри металлических разрядных камер, основанный на получении плазменного очага на расстоянии равном 0.6 диаметра кольцевого или полого электрода.

Описаны ОВЧ-плазмотроны со стержневым электродом и получением разряда в различных формах, а также впервые созданные ОВЧ-плазмотроны с полыми электродами мощностью до 20 кВт (рис. 18). Отражены условия получения диффузных и шаровых разрядов внутри диэлектрических камер. Показано, что воздушный диффузный разряд атмосферного давления имеет

объем плазмы до 2 -10 Зм и создается из контрагированного плазменного канала скачкообразно при сопровождении мощных акустических колебаний, а в ОВЧ-плазмотронах с полыми или кольцевыми электродами под действием закрутки газа плазменный канал надежно удерживается в приосевой зоне минимального давления. Отмечено, что под действием закрутки газа осуществляется перемещение плазменного канала длиной - 1м как целого относительно электрода. При этом создаются условия перехода контрагированной формы разряда в спиральную, объемную, диффузную и шаровую формы. Вкратце описаны плазмотроны двухстороннего истечения и встречных струй. Представлены результаты исследования физико-химических превращений жидких диспергированных веществ. Показано, что за время ~ 0.01с происходит дробление капель и их нагрев до температуры испарения, а за время ~ 0.04с происходит процесс интенсивного испарения капельной жидкости с образованием влажного остатка., а завершает весь процесс быстрый нагрев остатка с образованием ультрадисперсных порошков окислов металлов.

Приведено описание

плазмохимической установки с парогазовихревым ОВЧ-плазмотроном с

непосредственной подачей раствора в плазменный канал длиной (0.5 -:-1.5)м и мощностью (3 -¿-20) кВт.

Рис.18. ОВЧ-плазмотроп с полым трубчатым электродом для получения разных форм разряда. 1,2-эле(сград; З-поджигающий уз«л, 4-поршцнк; 5-стержень; б-пружниа; 7-водоохлаждармая рубашка; й-кгиыл поДочи воды; 9-завихритель газа; 10-днффуэор; 11-разрядная камора; 12-металлический корпус; 13,14-изоляторы; 15-узел подачи реагентов; 20-распределитель газа. 21-отверстия;

17-контр<)гирор.анн;1Л форма;

18-диффузный плазменный канал;

19-сферическая форма плазменного канала.

Также рассмотрены различные типы капиллярных ОВЧ-плазмотронов с диэлектрическими разрядными камерами с внутренним диаметром (20+500)мкм и длиной (1 + 10)см. Отмечено, что возбуждение разряда внутри капилляра осуществляется в имиульсно-периодическом режиме колебаний, создаваемых релаксационными АКС.

Выявлено, что при длительности радиоимпульсов > ЮОмкс с частотой повторения в доли герца и пиковой мощностью (100 -=-400)Вт внутри капилляров создается избыточное давление (4-10)атм. Рассмотрены капиллярные ОВЧ-плазмотроны с получением плазмы как внутри капилляра, так и снаружи. Отмечено, что внутри капилляров за короткий промежуток времени температура плазмы достигает Т = 6000К, а это в свою очередь приводит практически к ионизации всех веществ введенных в капилляр. На основе капиллярных ОВЧ-плазмотронов разработаны плазменные спектрометры.

На основании исследований ОВЧ-нлазмотронов и их источников питания предложена классификация ОВЧ-плазмотронов для реальных внедрений в приборостроении, технологиях, медицине и т.д.

В Заключении к диссертации кратко сформулированы результаты исследований, определена научная и практическая значимость работы.

В Приложении к диссертации приводятся акты испытаний и внедрений высокочастотных плазменных систем в спектроскопии, медицине, образовании и технологиях.

Список цитированной литературы:

1. Тихомиров И. А. Высокочастотные факельные плазмотроны и их практическое применение // Изв. СО АН СССР. Серия технических наук, 1980. Вып. 2, № 8. - С.3-13.

2. Айнтс М.Х., Кузу К.Ф., Хальясте А.Я. Пространственно-временное развитие одноэлектродного ВЧ разряда. - Учен. зап. Тарт. ун-та, 1977, вып. 409, с.28-58.

3. Жуков М.Ф., Коротеев A.C., Урюков Б.А. Прикладная динамика термической плазмы. - Н.: Наука, 1975. - 178 с.

4. Ватажин А.Б. и др. Электрогазодинамические течения. - М.: Наука, 1983. -344с.

5. Батенин В.М., Климовский И.И. и др. СВЧ-геиераторы плазмы: Физика, техника, применение. - М.: Энергоиздат, 1988. - 224 с.

6. Рыкалин H.H., Сорокин Л.М. Металлургические ВЧ-плазмотроны. Электро- и газодинамика. М.: Наука, 1987. - 163 с.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Тоболкип A.C. Исследования по теории, конструированию и режимам работы высокочастотных факельных плазмотронов с целью их практического использования // Канд. дисс. на соиск.уч.ст. канд. физ.-мат. наук. Томск: ТПИ, 1981. - 156 с.

2. Тоболкин A.C. Исследования по теории, конструированию и режимам работы высокочастотных факельных плазмотронов с целью их практического использования // Автореф. дисс. иа соиск.уч.ст. канд. физ.-мат.наук. Томск: ТПИ. 1981. - 24 с.

3. Тихомиров И.А., Тоболкин A.C., Гендрин А.Г. Теория и расчет характеристик плазмы высокочастотного факельного плазмотрона // В сб.: V Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы. Тезисы докл. Киев: Из-во ФОЛ АН УССР. - С.503.

4. Тихомиров И.А., Тоболкин A.C., Гендрин А.Г. Расчет высокочастотного факельного плазмотрона // В сб.: III Всесоюзное совещание "Плазменные потоки в металлургии и технологии неорганических материалов". М.: ИМЭТ Ali ССР, 1979. - С.88.

5. Тихомиров H.A., Тоболкин A.C., Гендрин А.Г. Расчет высокочастотного факельного плазмотрона // ФХОМ, 1979, №6. - С. 101-104.

6. Тихомиров И. А., Тоболкин A.C. и др. Исследование плазмы высокочастотною факельного разряда с помощью теневого прибора ИАБ-451 // В сб.: V Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы. Тезисы докл. Киев: изд. ФОЛ АН УССР, 1979, с. 510.

7. Тихомиров И.А., Тоболкин A.C., Ткаченко А.Г. Исследования характеристик и режимов горения ВЧ факельного разряда // ЖТФ, 1983. Т.53. Вып. 6. - с. 1179-1181.

8. Тихомиров H.A., Тоболкин A.C. Высокочастотные факельные плазмотроны с полыми трубчатыми электродами // В сб.: Плазменная техника, технология и их применение. Тезисы докл. Казань, 1981. - с.32-33.

9. Тихомиров И А., Теплоухов В.Л., Карелин А.И., Тоболкин A.C., Ткач Ю.Н. Вопросы согласования высокочастотного генератора с плазменной нагрузкой // В сб.: VI Всесоюзная конференция по генераторам низкотемпературной плазмы. Тезисы докл. Фрунзе: из-во ИЛИМ, 1974. - с. 133.

10. Тихомиров И.А., Карелин А.И., Теплоухов В.Л., Каренгин А.Г., Тоболкин A.C. и др. Вопросы конструирования и разработки высокочастотных факельных плазмотронов // В сб.: Материалы к 171 Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы. Т.З. Алма-Ата, 1974. - с. 140-143.

П. Тихомиров И.А., Теплоухов В.Л., Каренгин А.Г., Тоболкин A.C. и др. Исследования по определению электродинамических параметров высокочастотных факельных плазмотронов // В сб.: Материалы к VII Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы. Т.З. Алма-Ата, 1977. - с.108-111.

12. Тихомиров И.А., Тоболкин A.C. ВЧ факельные плазмотроны для получения различных форм и режимов горения разряда // В сб.: IX Всесоюзная научно-техническая конференция "Применение токов высокой частоты в электроэнергии". Тезисы докл. Л.: ВНИ1ГТВЧ, 1981. • с.93-94.

13. Тоболкин A.C., Нетреба П.И., Тузов В.Л. Измерения скорости движения плазмы // В сб.: II Всесоюзная научно-техническая конференция "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации". Тезисы докл. Л. 1987. - с. 44.

14. Тоболкин A.C., Нетреба П.И. Регистрация скорости потоков ВЧФ-разряда методом АДА // В сб.: III Всесоюзной конференции "Применение лазеров в технологии и системах передачи и отработки информации". Тезисы докл. Таллин. 1987. - с.29-30.

15. Тоболкин A.C. Фоторегистратор для изучения механизма возбуждения ВЧ факельного разряда // В сб.: XIII Всесоюзная научно-техническая конференция "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов". Тезисы докл. М.: ВНИИОФИ, 1937. - с.98.

16. Тоболкин A.C. Методологические аспекты исоледования физтеских процессов образования илазмоидов в воздушной среде // В сб.: Научно-технической школы-семинара "Непериодические быстропротекающие явления в окружающей среде." Тезисы докл. Томск: ТПИ, 1988. - с. 150.

17. Тоболкин A.C. Диссипативные структуры ВЧ факельного разряда // В сб.: Всесоюзный семинар по высокочастотному пробою газов. Тезисы докладов Тарту: TTY, 1989. - с. 102-104.

18. Тоболкин A.C. Двумерное поле температуры в оптическом разряде // Журнал оптики атмосферы, 1988, Na3. - С.50-56.

19. Тоболкин A.C. Локализация тепла в плазмоидах, возникающих в атмосфере // В сб.: Научгю-техн. школы-семинара "Непериодические быстропротекающие явления в окружающей среде". Тезисы докл. Томск: ТПИ, 1988. - С.!49.

20. Лунев В.И., Сальников В.Н., Тоболкин A.C. Синергетичсский подход к проблеме образования плазмоидов в атмосфере // В сб.: Научно-техн.школы-семинара "Непериодические явления в окружающей среде". Тезисы докл. Томск: ТПИ, 1988. - С.27-28.

21. Тоболкин A.C., Нетреба П.И. Области применения маломощного ВЧ факельного разряда // В сб.: Всесоюзный семинар по высокочастотному пробою газов. Тезисы докл. Тарту: ТГУ, 1989. - с.220-222.

22. Тоболкин A.C., Нетреба П.И. Методы диагностики воздушного ВЧ факельного разряда // В сб.: Всесоюзный семинар по высокочастотному пробою газов. Тезисы докл. Тарту: ТГУ, 1989. - с. 140-142.

23. Рейно В.В., Тоболкин A.C., Шерстобитов М.В. Термография локализованных неоднородных плазменных образований // В сб.: II Межреспубликанский симпозиум "Оптика атмосферы и океана". Тезисы докл. Ч. II. Томск: ИОА СО АН СССР, 1995. - с.335-336.

24. Рейно В.В., Тоболкин A.C., Шерстобитов М.В. Термография локализованных неоднородных плазменных образований // Журнал оптики атмосферы и океана. Т.8, № 12. - с. 1866-1870.

25. Tyutyunaikow S.I., Shalyapin V.N., Tobolkin AS. Raguo-freguency one-electrode source ol plasma with automodulation for gas anulysis // Preprint of the Joint Institute for Nualear Rasearch. Dubna, 1994. - 6p.

26. Тарасепко В.Ф., Тоболкин A.C. и др. Широкополосное излучение плазмы инертных газов при возбуждении модулированным ВЧ-разрядом // Известия ВУЗов. Физика. - 1995, № 10. - с.32-36.

27. Тоболкин A.C., Башагуров О.Г. Релаксационный высокочастотный генератор с самовозбуждением одноэлектродного разряда // В сб.: II Межреспубликанский симпозиум "Оптика атмосферы и океана". Тезисы докл. 4.II. Томск: ИОА СО АН СССР, 1995. - с.349-350.

28. Тоболкин A.C., Бурыхин В.И., Рысев В.А. Распределение флуктуации температуры и показателя преломления в газоплазменной оптической системе // В кн.: Нелинейная оптика и оптоакустика атмосферы. Сб. статей. Томск: ИОА СО АН СССР, 1988. - с. 108-114.

29. Тоболкин A.C. Влияние амплитудной модуляции на режимы горения ВЧ факельного разряда // В сб.: Всесоюзный научный семинар "Взаимодействие акустических воли с плазмой". Тезисы докл. Ереван: Армян. АН. - с.89-90.

30. Тоболкин A.C. Роль акуспгческих колебаний на формирование структур ВЧ разряда // В сб.: Всесоюзный научный семинар "Взаимодействие акустических волн с плазмой". Тезисы докл. Ереван: Армян. АН. - с.91.

31. Бочкарев H.H., Красненко Н.П., Нстреба П.И., Тоболкин A.C. Плазменный излучатель звука в задачах атмосферной акустики // В кн.: Распространение звуковых и оптических воли в атмосфере. Сб. статей. Томск: ИОА СО АН СССР. 1988. - с. 93-96.

32. Тоболкин A.C. Золотое сечение в лиссипатиппых процессах //В сб.: II Межреспубликанский симпозиум "Оптика атмосферы и океана". Тезисы докл. Томск: ИОА СО РАН, 1995. - с. 48-49.

33. Poplavscki Yu., Serdyiikov V., Sinitsa L., Tobolkin A. The use of low-temperature plasma for spectra investigations in the intracavity laser spectrometer // SPiH, v.2619. - p.280 - 282.

34. Serdyukov V., Sinitsa L., Poplavscki Yu., Tobolkin A. Intracavity laser spectroscopy of excited atoms and molecules // Fbstracts of 14 colloquium of high resolution molecular spectroscopy. Dij - on, 1996/ - p.253.

35. Тоболкин A.C. и др. Высокочастотный факельный плазмотрон. Авторское свидетельство № 882393.

36. Тоболкин A.C. Способ измерения скорости движения плазмы. Авторское свидетельство N° 1268077.

37. Тоболкин A.C. Способ определения размеров плазмы высокого давления. Авторское свидетельство Л'? 1597675.

38. Тоболкин A.C. и др. Способ генерации плазмы в ВЧФ плазмотроне. Авторское свидетельство № 1112998.

39. Тоболкин A.C. Высокочастотный генератор плазмы. Патент РФ. №

40. Тоболкин A.C. Высокочастотный генератор плазмы. Патент РФ. N°

2030849.

2035130.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора физико-математических наук, Тоболкин, Александр Савостьянович

Введение.

Глава I. Уравнения электро- и газодинамики ОВЧ-разряда

1.1. Введение.

1.2. Закон сохранения массы.

1.3. Уравнение движения вязкого сжимаемого газо-плазменного потока.

1.4. Уравнение энергии.

1.5. Уравнения электродинамики высокочастотного разряда.

Глава II. Одномерные модели теплообмена в ОВЧ-разрядах

2.1. Введение.

2.2. Одномерные модели баланса энергии плазмы.

2.3. Вариационный принцип в теории газового разряда.

2.4. Метод функциональной аппроксимации.

2.5. Выводы.

Глава III. Тепловые и газодинамические поля в газовых разрядах

3.1. Введение.

3.2. Двумерное поле температуры в оптическом разряде.

3.3. Фазовый переход в тепловых неоднородностях.

3.4. Структура двумерного теплового поля в ОВЧ-разрядах.

3.5. Одноэлектродный высокочастотный разряд в конвективных потоках.

3.6. Выводы.

Глава IV. Методы диагностики ОВЧ-разряда

4.1. Введение.

4.2. Теневые методы визуализации газо-плазменных потоков.

4.3. Метод треков.

4.4. Метод фоторегистрации для измерения скорости движения плазмы.

4.5. Метод лазерной доплеровской анемометрии для измерения скорости газо-плазменных потоков.

4.6. Метод инфракрасной термографии плазмы.

4.7. Спектральный метод измерения концентрации электронов в плазме.

4.8. Методы контактного и бесконтактного измерений АЧХ и ФЧХ ОВЧ-разряда.

4.9. Выводы.

Глава V. Анализ колебательных режимов нелинейных активных элементов

5.1. Введение.

5.2. Основные параметры нелинейных активных элементов и принцип их работы.

5.3. Метод утла отсечки.

5.4. Метод неизменных токов.

Глава VI. Автоколебательные системы для получения ОВЧ-разрядов

6.1. Введение.

6.2. Влияние расстройки и отстройки на характеристики АКС.

6.3. Двухконтурные АКС для получения одноэлектродных разрядов.

6.4. Автоколебательные системы с дополнительными реактивными связями.

6.5. Автоколебательные системы с индуктивно связанными контурами.

6.6. Автоколебательная система с длинными линиями.

6.7. Релаксационная автоколебательная система с самовозбуждением одноэлектродных разрядов.

Глава VII. Одноэлектродные высокочастотные плазмотроны

7.1. Введение.

7.2. Математическая модель расчета характеристик ОВЧ-плазмотронов.

7.3. Газодинамика ОВЧ-плазмотронов.

7.4. ОВЧ-плазмотроны со стержневыми и полыми электродами.

7.5. ОВЧ-плазмотрон для физико-химических превращений жидких веществ.

7.6. Капиллярные ОВЧ-плазмотроны.

Введение диссертация по физике, на тему "Экспериментальное и теоретическое исследование одноэлектродного высокочастотного разряда"

Один из широко распространенных методов достижения высоких температур основан на использовании газовых разрядов в качестве нагревательного элемента. Локализованные газовые разряды нормального и высокого давления-это наиболее концентрированные и высокотемпературные источники тепловой энергии.

Таким источником является одноэлектродный высокочастотный разряд [1,2], дополняющий классифицированный ряд широко известных разрядов: дугового [3], коронного [4], сверхвысокочастотного (СВЧ) [5], высокочастотного емкостного и индуктивно-связанного [6].

Описание самостоятельного разряда, имеющего непосредственный контакт с одним электродом, впервые было осуществлено С.И.Зилитинкевичем в 1928г. [7]. Наблюдаемый им разряд представлял собой светящийся вертикальный, в начале расширяющийся к верху, а затем - сужающийся столбик, похожий на пламя факела или свечи. Благодаря такой форме этот газовый разряд стали называть факельным. Также этот разряд называют униполярным, моноэлектродным, одноэлектродным. Такие названия обусловлены принципом передачи ВЧ-мощности в плазму посредством одного острийного электрода. Наиболее часто в научной литературе используются два названия: факельный разряд [1,7-11] и одноэлектродный разряд [2,12-15]. Чтобы подчеркнуть, что плазма разряда находится в переменном электрическом поле с частотой более 3 МГц используется дополнение - высокочастотный. При сохранении принципа передачи ВЧ-мощности форма плазменного канала может существенно отличаться от формы пламени свечи или практически совпадать с формами других плазменных образований, поэтому название - одноэлектродный высокочастотный (ОВЧ) разряд - более обоснованное и по сути отражает отличительный признак данного разряда от других известных разрядов при условии, что разряд как сложное явление представляет собой совокупность взаимодействующих между собой подсистем, таких как плазменный канал, тепловой пограничный слой, приэлектродная зона, неизотермический поток за свободным концом плазменного канала и т.д. Поэтому в работе используется основное определение - ОВЧ-разряд, а разновидности ОВЧ-разряда классифицируются по режимам горения, состоянию плазмы, по роду плазмообразующего газа.

ОВЧ-разряд зажигается при амплитуде высокочастотного напряжения от 3 до 11 кВ при частотах от 6 МГц и выше [7,11]. В связи с тем, что второй конец факельного разряда является свободным, обычно используется гипотеза замыкания цепи на землю емкостным током и предполагается, что ионизация газа в горящем разряде поддерживается благодаря току, замыкаемому емкостным током [11].

ОВЧ-разряд с момента его открытия исследовался в основном по следующим направлениям:

1) исследование влияния различных факторов (формы, материала электрода, рода плазмообразующего газа) на свойства разряда [7,11];

2) исследование характеристик плазмы разряда (температура, концентрация электронов) [8-10];

3) изучение влияния внешних электростатических полей на свойства и поведение разряда [11,15];

4) исследование амплитудно-модулированной плазмы разряда [1,10];

5) изучение механизмов высокочастотного пробоя газов в ограниченном пространстве (в геометрии острие-плоскость или острие-острие) [12-15];

6) теоретическое изучение некоторых вопросов теплопередачи и поведения электронов в неравновесной плазме [8,11,16].

В таблице № 1 представлены основные результаты [1,2,7-16] исследований свойств ОВЧ-разряда, горящего в различных плазмообразующих газах при нормальном давлении.

Из экспериментальных исследований следует, что структура ОВЧ-разряда и его размеры определяются свойствами плазмообразующего газа и уровнем вводимой мощности. ОВЧ-разряд может гореть в различных плазмообразующих газах в широком диапазоне изменений мощности и давлений (10-12105) Па.

При нормальном давлении в зависимости от рода газа и условий теплоотвода энергии плазма разряда является неравновесной (электронная температура составляет (6000^7500) К, а газовая - (3300-^4500) К). Степень ионизации плазмы для электронной плотности (101б-н1019 )м~3 может изменяться в широком диапазоне значений от 10 до 10 4. В молекулярных газах плазменный канал ОВЧ-разряда ведет себя как активная нагрузка, т.е. почти вся поступающая мощность поглощается плазмой. Токоведущий канал представляет собой плазменное образование с отношением длины / к его нормальном давлении в плазменном канале на приэлектродном участке температура составляет (3300-^4300) К, в конце ~ 2600К и в оболочке порядка (2000-3000)К. Вольтамперная характеристика ОВЧ-разряда имеет восходящую ветвь.

Из анализа результатов исследований, проводимых в ТГУ (г.Тарту) под руководством Куду К.ф. [2], следует, что зажигание ОВЧ-разряда имеет ряд особенностей в зависимости от частоты электромагнитного поля, давления газа, размеров разрядного промежутка. Показано, что самостоятельное зажигание разряда происходит при напряжении на электроде более 7.3 кВ [15], а пространственная структура импульсного ВЧ-разряда определяется стримерами, развивающимися сначала с острия, а потом с вершины основного канала в положительных полупериодах. Также отмечено, что высокочастотный пробой в газе может произойти в течение малой доли полупериода, когда напряжение близко к амплитудному значению.

Для теоретического описания стационарного ОВЧ-разряда была предложена эквивалентная схема [11], состоящая из последовательно соединенного омического сопротивления с емкостью, создаваемой плазменным каналом и металлическим экраном. Интерес представляет электродинамическая модель ОВЧ-разряда, предложенная А.В.Качановым и Е.С.Треховым [8,9], согласно которой канал разряда представляет собой столб плазмы с распространяющейся по нему электромагнитной волной, а мощность, выделяющаяся при этом, рассеивается за счет радиальной теплопроводности.

Экранировка разряда приводит к увеличению постоянной затухания по сравнению со свободным разрядом и .следовательно, к увеличению мощности плазмотрона. В дальнейшем Качановым А.В. высказана гипотеза о возможности радиусу

В воздушном ОВЧ-разряде мощностью (20-^-2000) Вт при

ПАРАМЕТРЫ ОВЧ-РАЗРЯДА

Плазмо- Частота Мощ- Радиус Длина Проводи- Газовая Элект- Ток в Напря- Напря- Конценобразу- /•ю-6 ность канала канала мость темпе- ронная разряде жение в жен- трация ющии газ Ро гк-102 4-ю2, СГ-102 ратура тг • ю-3 температура те ■ Ю-3 'о разряде С/-1(Г3 ность поля Е ■ Ю-2 электронов ИеЛ<У*

ГЦ Вт м м См/м к к А в В /м м-3 воздух 6-20 500-900 - 15-20 - - - - - - воздух 12-100 20-200 0,14-0,34 0,3-3,6 - 3,3-4,3 - 0,01-0,14 - - воздух 30 - - - - 3,8-4,2 - - - 300-500 5- 1010-Юп азот 30 30 - - - 3,8 - - - - 10Н.Ю12 воздух 8,7 15-308 - - - - - 4- 10"3-9 • 10"2 3,6-4,4 - воздух 40 - - - - 3,5 7,0 1,24 - -

Аг + Н2 34 500-600 - - - 0,9 7,4 - - - 3,2- 10131,5- 1014

Ые2 + Н2 34 500-600 - - - - 7,8 - - - (0,7-1,9) • 1014 гелий 26 100 - - - 0,9 25,0 - - - 1,2* 1015 -3,0- 1015 воздух - - - - - 3,8-4,3 - - - - азот - - - - - 4,0 - - - - аргон - - - - - 1.4 - - - - воздух - - - - - 3,0-5,0 6,5 - - 300-500 аргон - - - - - 1,4-2,0 6,0-7,0 - - 12-13 воздух 37 920 в, 17 - 1,23 3,8 - - - 500 7- 10"

N2 37 1020 0,25 - 1,5 5,2 - - - 400 6* 10]2 со2 37 800 0,14 - 0,63 - - - - - ' з-10"

СО 37 670 0,10 - 1,06 - - - - - 1,5- 1012 о2 37 750 0,15 - 0,82 - - - - - 1,3- 1012 воздух 40 200-800 - - - 3,5-3,9 - - - - воздух 40 - - 5-22 - - - 0,8-1,6 - - воздух - 150-1000 0,06-0,18 3,1-28 - - - - - - многократного уменьшения длины электромагнитной волны внутри токоведущего канала [9].

Стабилизированный продувом газа ОВЧ-разряд исследуется в ТПУ (г.Томск) под руководством профессора Тихомирова И.А. с целью использования его для генерации плотных плазменных струй. Разработаны одноэлектродные и двухэлектродные аппараты - ОВЧ-плазмотроны [1,10]. В конструктивном исполнении ОВЧ-плазмотрон представляет собой стержневой водоохлаждаемый электрод, соединенный посредством изолятора с металлической разрядной камерой. В ряде случаев для лучшей стабилизации ОВЧ-разряда внутри металлической разрядной камеры устанавливается кварцевая труба, а для повышения мощности ОВЧ-плазмотрона осуществляется замыкание второго конца разряда на стенку разрядной камеры. ОВЧ-плазмотрон может выполнять функцию не только генератора плазмы, но и реактора, когда теплоноситель и реагенты в газовом виде подаются в плазмотрон. Сочетание осевого и вихревого движения газа обеспечивает разнообразие технологических режимов и приемов при ведении технологических процессов. К недостаткам ОВЧ-плазмотронов следует отнести наличие эрозии материала электродов, тепловых потерь мощности на водоохлаждаемых электродах, а также отсутствие надежной системы поджига разряда при высоком давлении. Конструкции ОВЧ-плазмотронов обеспечивают высокую герметичность и механическую прочность. Это создает ряд преимуществ при их использовании в технологических процессах по переработке химически агрессивных и токсичных веществ.

Специфика развития теоретических и экспериментальных исследований ОВЧ-разряда состояла в том, что зачастую недостаточное внимание уделялось общей структуре и закономерностям неравномерных течений, слабо использовался опыт, накопленный исследователями газовых струй и автоколебательных систем (АКС). Поэтому отсутствуют исследования процессов газодинамики и теплообмена как внутри плазменного канала, так и между плазменным каналом и окружающим его тепловым пограничным слоем. Нет исследований по теории и моделированию ОВЧ-разряда и его источников питания - АКС, которые с наибольшей полнотой и определенностью отражали бы физические процессы в открытом и экранированном ОВЧ-разряде. Не изучены механизмы пространственного распределения температуры во всем объеме плазменного канала, включая поверхность раздела плазма-газ.

Проблема получения ОВЧ-разряда с заданными свойствами, формами, с расширенным управлением удельной энергии является ключевой при реализации многих наукоемких приборов и технологий. Для реального применения необходимо выявить объективные закономерности, определяющие тепловые и газодинамические процессы взаимодействия плазменных каналов с окружающей средой, реконструировать физическую картину течений в целом.

Таким образом, актуальность исследований ОВЧ-разряда обусловлена:

- потребностью в данных о механизмах формирования плазменных каналов в пространственно-неоднородном высокочастотном электрическом поле, о пространственных структурах стационарного, амшштудно-модулированного, импульсного ОВЧ-разрядов и их устойчивости к внешним изменяющимся условиям, о тепловых и газодинамических полях во всем объеме ОВЧ-разряда, включая поверхность раздела плазма-газ;

- потребностью в высокочастотных методах диагностики газо-плазменных потоков и в измерениях амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик ОВЧ-разряда и АКС;

Цель работы.

Цель диссертационной работы состояла: в выявлении объективных закономерностей, ответственных за формирование пространственно неоднородных тепловых и газодинамических полей во всем объеме свободного и экранированного ОВЧ-разряда;

- в разработке автоколебательных систем с расширенным диапазоном управления параметрами нагрузки;

- в разработке миниатюрных и повышенной мощности ОВЧ-плазмотронов для их использования в технологиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

2. Проведены измерения поля температур в плазменном канале и тепловом слое. Обнаружено, что в стационарном ОВЧ-разряде радиальный профиль температуры имеет провал на оси, а максимальное значение температуры в плазме наблюдается на заметном расстоянии от острия электрода. Создан метод замыкания конечных соотношений при решении радиально симметричной задачи теплообмена.

4. Реконструирован механизм поэтапного формирования маломощного открытого ОВЧ-разряда, заключающегося в том, что на определенном расстоянии от острия электрода возникает плазменный ореол, который увеличивается в размерах с одновременной перестройкой профиля температуры и перемещением как целого к острию электрода, затем формируется тепловой слой и возникают конвективные потоки, способствующие увеличению длины плазменного канала и его стабилизации, а за концом плазменного канала возникают упорядоченные структуры.

5. Обоснован единый подход к решению уравнения энергии при комбинированном теплообмене. Реализован новый метод восстановления пространственного распределения температуры и удельной энергии в условиях существенно нелинейной функциональной связи с управляющим параметром и сложном профиле плазменного канала.

6. Разработаны АКС для получения стационарных и амплитудно-модулированных ОВЧ-разрядов с предыонизацией. Впервые разработаны АКС для получения ОВЧ-разряда с самовозбуждением.

7. Разработаны особые приемы значительного повышения концентрации электронов в плазме, основанные на сжатии импульсно-периодического и амплитудно-модулированного ОВЧ-разрядов диэлектрическим капилляром с внутренним диаметром более 20 мкм.

8. Впервые экспериментально исследовался неравновесный ОВЧ-разряд с самовозбуждением. Получены новые экспериментальные данные спектра излучения плазмы и внутренней структуры плазменных каналов. Разработаны способы управления режимами горения ОВЧ-разряда, основанные на импульсно-периодической подаче ВЧ-мощности в плазму, изменении топологии электрода и газодинамической обстановки в приэлектродной зоне.

Новизна разработанных способов и плазменных систем подтверждается авторскими свидетельствами и патентами.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных и теоретических исследований тепловых, газодинамических полей, внутренней структуры ОВЧ-разряда и его механизмов формирования, позволивших установить, что: формирование ОВЧ-разряда высокого давления происходит из плазменных образований малого масштаба, возникающих на определенном расстоянии от острия электрода;

- плазменные каналы стационарного, импульсно-периодического ОВЧ-разрядов с пространственно неоднородными полями температуры ограничены от горячего газа неизотермическими поверхностями (ТП0ВФ const) при температурном факторе TQ / Т* < 2.2 и средней мощности, выделяемой на

Го единице длины Рп< 5.3S0 (So = о

- увеличение температурного фактора в центральном плазменном канале Т0 / Т* > 1.4 приводит к скачкообразному переходу с образованием плазмы нового состояния;

2. Неравновесные устойчивые ОВЧ-разряды с самовозбуждением, возникающие в среде при подаче на электрод радиоимпульсов длительностью (6-н200)мкс и частоте повторения (1(Г4-кЮ)кГц, среди которых:

- ОВЧ-разряд с трехслойным плазменным каналом различных форм и с вращающимися внешними слоями:

- ОВЧ-разряд с шароподобными образованиями на плазменных каналах.

3. Комплекс высокочастотных АКС мощностью (10"3-г20) кВт, включающий:

- одноконтурные и многоконтурные АКС с управлением параметрами ОВЧ-разряда;

- релаксационные АКС с положительным смещением на управляющем электроде триода;

- метод расчета АКС с учетом отстройки и расстройки АЧХ и ФЧХ.

4. Комплекс ОВЧ-плазмотронов с диэлектрическими и металлическими разрядными камерами, включающий:

- ОВЧ-плазмотрон со стержневым электродом, обеспечивающий получение внутри разрядной камеры контрагированную, диффузную и шаровую форму плазменного образования;

- капиллярные ОВЧ-плазмотроны с повышенной степенью ионизации газа в диэлектрических капиллярах диаметром (20н-500)мкм.

Достоверность выводов диссертации обеспечивается:

- высокой точностью используемых методов диагностики плазмы и газодинамических потоков;

- прямым сопоставлением расчетных данных с данными физического эксперимента; совпадением полученных режимов горения ОВЧ-разряда с предсказанными теоретическими расчетами.

Научная и практическая значимость.

1. Неравновесный ОВЧ-разряд с самовозбуждением и повышенной устойчивостью может быть использован: для создания новых типов плазменных спектрометров и в качестве учебного пособия при изучении физики плазмы и в разнообразных технологиях (обработка бумаги, тканей, диэлектрических материалов, очистка и изменение свойств полупроводниковых материалов, резка стекла, сварка кварцевых световодов и т.д.).

2. Созданные АКС для получения открытого и экранированного ОВЧ-разряда могут найти применение в качестве физиотерапевтических и электрохирургических медицинских приборов при проведении сложных хирургических операций на сердце, легком, почках, печени, внутри половых органов, для лечения десятка кожных заболеваний.

3. ОВЧ-плазмотроны могут быть использованы в плазмохимических технологиях при организации процесса физико-химических превращений непосредственно в высокочастотной плазме. Капиллярные ОВЧ-плазмотроны могут быть использованы для получения озона, окислов азота, новых веществ, а также в качестве капиллярных источников света и капиллярных лазеров.

5. Разработанные методы диагностики газо-плазменных потоков могут быть использованы в исследованиях квазистационарных газовых разрядов высокого давления.

6. Полученные теневые фотографии и созданные видеофильмы могут служить иллюстрациями для формулирования новых теорий плазменных и газодинамических течений.

Диссертация состоит из введения, семи глав, приложения, заключения и списка цитированной литературы. В ней принята двойная нумерация формул по главам: первая цифра соответствует номеру главы, вторая цифра -порядковому номеру формулы. Список литературы составлен общим.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

4.9. Выводы

С использованием оптических, лазерных, электродинамических пассивных методов диагностики проведены комплексные исследования ОВЧ-разряда. Получена конкретная информация о свойствах ОВЧ-разряда.

Реконструирован механизм поэтапного формирования маломощного ОВЧ-разряда, заключающийся в том, что на определенном расстоянии от острия электрода возникает плазменный ореол, который увеличивается в размерах с одновременной перестройкой профиля температуры и перемещением как целого к острию электрода, затем формируется тепловой пограничный слой и возникают конвективные потоки, способствующие увеличению длины плазменного канала и его стабилизации, а за концом плазменного канала возникают упорядоченные структуры.

В стационарном режиме плазменный канал представляет собой единое целое с пространственно неоднородным распределением температуры или состоит из 2-3 осесимметричных плазменных слоев по форме близких к форме эллипсоида вращения и разделенных четко выраженными контрастными поверхностями. Поверхность раздела плазма-газ является неизотермической. Плазменный канал окружен тепловым пограничным слоем радиусом, превышающим радиус плазменного канала в 1.6-нЗ.О раза, причем увеличение толщины теплового слоя происходит с увеличением продольной скорости при относительно слабом уменьшении радиуса плазменного канала. За концом плазменного канала формируются либо упорядоченные структуры, либо турбулентный поток. В приэлектродной области в плазменном канале может возникать воронка, значительно увеличивающая площадь контакта плазменного пятна с поверхностью электрода через прослойку относительно холодного газа толщиной (15СМ-200)мкм.

В квазистационарных ОВЧ-разрядах мощностью более 50 Вт в тепловых слоях под действием смешанной конвекции формируются отрывные течения в виде вихревых колец или спиралей, которые поднимаются вверх по потоку, создавая осцилляции продольной скорости с частотой (5-^8) Гц.

118

Под действием амплитудной модуляции тока разряда происходят поперечные и продольные расслоения плазменного канала. Продольные расслоения плазменного канала и теплового слоя происходят за счет увеличения глубины провала в радиальном профиле температуры. В ОВЧ-разряде, сформированном под действием естественной и смешанной конвекции, значения радиальной скорости практически в 10 раз меньше значений продольной скорости, а экстремум продольной скорости имеет место на свободном конце ОВЧ-разряда. форма АЧХ и ФЧХ ОВЧ-разряда имеет два максимума, а величина относительной расстройки соизмерима с величиной относительной отстройки.

Предельное значение концентрации электронов в плазменном канале

1 с о составляет 2 10 см , а температура электронов Те = (4500-4-8000)К.

ГЛАВА V. АНАЛИЗ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ НЕЛИНЕЙНЫХ

АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

5.1. Введение

Для получения одноэлектродных разрядов требуются источники питания -автоколебательные системы (АКС) и системы управления электро- и газодинамическими параметрами, разработка которых в ряде случаев представляет собой сложную научную и техническую задачу.

Несмотря на большое разнообразие АКС, отличающихся принципиальными схемами, энергетическими показателями, диапазонами частот, типами нелинейных активных элементов, условиями получения плазмы при разных давлениях и плазмообразующих газах, их можно представить общей схемой, приведенной на рис. 38. В общую схему АКС входит источник вторичного электропитания (ИВЭ) (или источник постоянного тока); регулятор мощности (РМ); управляемый нелинейный активный элемент (УНЭ); внешний источник (ВИ); цепь обратной связи (ЦОС); колебательные контуры (КК), включая промежуточные колебательные контуры; согласующие цепи (СЦ) и устройства получения и удержания плазмы - одноэлектродные высокочастотные плазмотроны (ОВЧП).

Комбинация блоков УНЭ-ВИ-КК представляет собой усилитель мощности, который обеспечивает колебания, вызванные внешним воздействием. Форма вынужденных колебаний и такие их основные параметры, как амплитуда и частота колебаний, зависят от вида и параметров входных сигналов, создаваемых внешним источником (ВИ). Внешний источник может представлять собой независимый автономный высокочастотный генератор.

В этой главе проведен анализ режимов работы управляемых НАЭ. Рассмотрен метод угла отсечки для расчета режимов НАЭ. Описаны принципы работы триодного генератора. Предложен метод неизменного тока применительно для расчета режимов триода. Описана последовательность расчетов и представлены расчетные данные.

5.2. Основные параметры нелинейных активных элементов и принцип их работы

Принципиальное значение при создании АКС имеет тип управляемого нелинейного элемента. В основном используются активные элементы -электронные лампы, выполненные в триодном или тетродном исполнении [127142]. Обратим внимание на основные параметры генераторных ламп. В лампах сетка расположена близко к катоду, поэтому изменение напряжения на сетке сильнее влияет на величину анодного тока, чем такое же изменение напряжения на аноде. В этом случае существенным параметром ламп является коэффициент усиления ¡л. Коэффициент усиления [Л лампы определяется как отношение д1а1диа д\]с

Крутизна характеристики лампы, имеющая размерность проводимости, выражается следующим образом

5 = (5.2) а

Величина, обратная ей, п 1 <№а

Я=- =-- , (5.3)

5 а' есть внутреннее сопротивление лампы.

Анодный ток триода есть функция двух переменных: потенциала его анода и потенциала его сетки - 1а - f(1/а, . Для описания работы лампы удобно рассматривать зависимость величины анодного тока от потенциала сетки при постоянном напряжении на аноде: а=Чиа)ияШатЛ> (5-4) и зависимость величины анодного тока от потенциала анода при постоянном напряжении на сетке: а=Фа)п=С0Ш- (5-5)

Изменение величины анодного тока триода при варьировании потенциалов электродов вблизи значений иа = иа0 и / а =1а0 может быть найдено как полный дифференциал функции Р(иа, и^:

Частная производная л• ^ а

Частная производная и.=и.о аиЛ^ аУ и =п( сИ л ми, и.=иво г Ш л а 1/Д. ие=иво

5.6)

5.7)

5.8)

Принимая во внимание (5.7) и (5.8), выражение для изменения величины анодного тока лампы можно записать в виде

5.9)

Из (5.9) видно, что приращение источника напряжения вызывает в раз большее изменение величины анодного тока лампы, чем равное приращение анодного напряжения. Величина

Ж; =¿1. (5.10)

Часто пользуются понятием проницаемости лампы - величины, обратной статическому коэффициенту усиления 1 = Ум

5.11)

Коэффициенты Д., (Л и I) являются статическими параметрами лампы. К числу параметров, имеющих существенное значение при работе лампы с управляющей сеткой, помимо Д, //, относятся межэлектродные емкости: С (проходная "сетка-анод") и Сж (выходная "анод-катод"). ск

Суммарный ток, идущий с катода триода, можно определить по закону степени трех вторых: где 1с - сетчатый ток, 1а - анодный ток.

Напряжение, при котором анодный ток равен нулю, т.е. Ua + julJc =0, называется напряжением отсечки Ес0 :

Ес0 = ~—. (5.13) M

В основе своей генерирующее нелинейное устройство является преобразователем постоянного (или переменного, но иной частоты) электрического поля в энергию поля нужной частоты. Преобразование проходит в процессе электромагнитных колебаний нужной частоты в среде с отрицательным поглощением (отрицательным сопротивлением). Носителями энергии, преобразующими энергию постоянного тока в энергию высокочастотных колебаний, служат:

- либо связанные электроны, занимающие определенные энергетические уровни в атомах ионизованного газа;

- либо свободные электроны, движущиеся в вакуумированной колбе электронной лампы.

Преобразование энергии постоянного поля в энергию нужной частоты используется в автогенераторах с так называемым продольным управлением плотностью электронного потока. Такое управление возможно в триодных автогенераторах. В триодах электронный поток, создаваемый катодом, ускоряется постоянным электрическим полем, и тем самым энергия источника постоянного электрического поля преобразуется в кинетическую энергию электронов. Преобразование энергии электронов в энергию высокочастотных колебаний достигается в результате взаимодействия движущихся электронов с электрическим полем нужной частоты, вектор напряженности которого коллинеарен направлению движения электронов.

В результате взаимодействия движущихся электронов с электрическим полем нужной частоты электроны тормозятся, либо дополнительно ускоряются; при этом кинетическая энергия электронов либо преобразуется в энергию электромагнитного поля нужной частоты, либо происходит обратный процесс.

Преимущественная передача энергии электронов полю нужной частоты будет обеспечена, если:

- либо энергия, отдаваемая каждым электроном полю нужной частоты при его торможении этим полем, будет превышать энергию, отбираемую этим же электроном при его ускорении этим полем;

- либо число электронов, отдающих свою энергию полю нужной частоты, будет превышать число электронов, ускоряемых этим полем.

В вакуумных лампах с продольным управлением передача энергии от электронов полю достигается путем преобразования равномерного по плотности потока электронов, выходящего из катода, в поток, плотность которого меняется во времени и пространстве, и пропускания более плотных частей потока через поле нужной частоты в те моменты, когда фаза электромагнитного поля оказывается по отношению к этим более плотным частям потока тормозящей.

В триодном генераторе электроны, вылетающие из накаленного катода, образуют в прикатодном пространстве облако объемного заряда, регулирующего величину тока, проходящего к аноду. В зависимости от полярности напряжения на сетке, проходящий к аноду ток либо возрастает, т.е. увеличивается число электронов, попадающих в этот полупериод в промежуток между сеткой и анодом, либо уменьшается. Сдвиг фаз между напряжением на сетке и на аноде фиксирован и равен 180°. Поэтому в промежуток между сеткой и анодом попадает больше электронов в тот полупериод, когда переменное напряжение на аноде для электронов является тормозящим, и наоборот. Энергия, отдаваемая электронами ВЧ-полю, действующим в промежутке "сетка-анод" в тормозящий полупериод оказывается большей нежели отбираемая электронами от этого поля в ускоряющий полупериод. В среднем за период происходит передача энергии от электронов полю. Способ превращения равномерного по плотности электронного потока, выходящего из катода, в поток переменной плотности, используемый в триодном генераторе, обычно называют электростатическим. Рассматривая работу триодного генератора в ВЧ области, отметим два следующих обстоятельства:

- преобразование равномерного по плотности электрического потока, выходящего из катода, в поток, плотность которого оказывается различной в разные полупериоды действующего электромагнитного поля, достигается путем воздействия этого поля на электроны облака, образующегося в прикатодной области;

- взаимодействие потока переменной плотности с электромагнитным полем, приводящее к отбору энергии из электронного потока, происходит в промежутке между сеткой и анодом.

Два этих процесса - образование электронного потока переменной плотности и отбор энергии из электронного потока - разделены в пространстве и во времени.

В случае низких частот время пролета электронов через промежуток между катодом и сеткой пренебрежимо мало по сравнению с периодом изменения поля, и электроны, преодолевающие промежуток между катодом и сеткой в ускоряющий полупериод поля, успевают не только попасть в промежуток между сеткой и анодом в тормозящий полупериод и там затормозиться, но и достигнуть анода за время, в течение которого фаза поля не успевает сколько-нибудь заметно измениться. В этом случае сдвиг фаз между напряжениями на сетке и на аноде, равный 180°, полностью обеспечивает условия для направленной передачи энергии от электронов полю: число электронов, тормозящихся полем, действительно, больше числа электронов, ускоряемых полем. Доля кинетической энергии электрона, превращенная в энергию высокочастотного поля в промежутке между сеткой и анодом, определяется изменением скорости электрона в результате его торможения этим полем. Если время пролета электрона через промежуток между сеткой и анодом пренебрежимо мало по сравнению с периодом изменения поля, то можно полагать, что движение электрона происходит в неизменном (статическом) поле. В триоде поле, определяющее величину тока, создается двумя потенциалами: потенциалом сетки Vc и потенциалом анода Va. При использовании электростатического управления амплитуды гармоник тока однозначно определяется амплитудой ¥с = .

Обратим внимание на другой сорт заряженных частиц-ионов, которые в обычном рассмотрении не учитываются, а в работе релаксационного ВЧ-генератора роль ионов может оказаться принципиальной.

В нелинейном триоде катод выполнен в виде тонкой вольфрамовой нити. Работа выхода для вольфрама достаточно высока по сравнению с другими материалами [127]. Однако вольфрам имеет более высокую температуру плавления, чем другой металл (3643К) и может работать при достаточно высоких температурах, давая при этом устойчивую и большую эмиссию электронов с поверхности. Вольфрамовые эмиттеры обычно работают при температурах (2400-^2600) К. При такой температуре эмиттера под действием фотоионизации образуются ионизированные молекулы из остаточного газа в баллоне лампы. Положительные ионы, образующиеся в результате ионизации, перемещаются к сетке, если она отрицательна и окружают ее ионным слоем, который нейтрализует электростатическое поле сетки и дает возможность большему числу электронов с ускорением двигаться к аноду. Процесс нарастания тока будет происходить до тех пор, пока не будет ограничена величина тока эмиссией с катода, или другим процессом. Обычно на сетке создается напряжение смещения за счет тех электронов из пространственного заряда лампы, которые попадают на сетку и образуют ток между сеткой и катодом через внешнее сопротивление Еа так называемое сеточное автоматическое смещение. Наличие остатков газа в лампе уменьшает сеточное смещение. Это объясняется тем, что в лампе происходит ударная ионизация молекул газа. Образующиеся при этом положительные ионы притягиваются сеткой и создают положительное напряжение на сопротивлении в цепи сетки. Положительный сеточный ток определяется как поток электронов, движущийся от катода к сетке внутри лампы. Этот ток имеет место в том случае, когда электроны, эмиттированные катодом, обладают скоростью достаточной для преодоления ими тормозящего поля и достижения сетки. Распределение начальных скоростей электронов определяется температурой и материалом катода. Отрицательный сеточный ток определяется как поток электронов, посылаемых сеткой в общий поток электронов, движущийся в лампе к аноду. Основной причиной возникновения этого потока и является ионизация остаточного газа в триоде с имеющими большую скорость электронами, движущимися к аноду. Некоторые из ионов, образовавшихся в результате ионизации, направляются к отрицательной сетке, где их заряды нейтрализуются зарядами электронов, приходящих к сетке из внешней сеточной цепи.

Возникающий таким образом сеточный ток, проходя через внешнее сопротивление сеточной цепи Яс, создает на нем падение напряжения, которое уменьшает отрицательное напряжение смещения на сетке лампы, что приводит к увеличению анодного тока и, следовательно, к увеличению скорости ионизации. Так как этот процесс является регенеративным, то при относительно высоком сопротивлении Кс в лампе могут происходить быстрые лавинообразные процессы. Каждая из двух встречных составляющих сеточного тока становится преобладающей при различных значениях напряжения сеточного смещения. Положительная составляющая преобладает при низких значениях сеточного смещения, отрицательная составляющая - при высоких значениях. При некоторой промежуточной величине напряжения сеточного смещения общий сеточный ток лампы обращается в нуль. Нулевой сеточный ток получается при смещениях, лежащих в пределах (-4-ь-2)В. В некоторых случаях в колбе лампы можно наблюдать объемный диффузный разряд вокруг сетки и анода. Плазма при низком давлении наблюдается визуально:

- при условии одновременного отключения накала и высокого напряжения (Т^з>2800 В) возникает объемный разряд, сопровождаемый относительно яркой вспышкой;

- в случае наличия сеточной емкости Сс > 4 мкФ наблюдается голубое свечение внутри колбы лампы с одновременным существованием одноэлектродного разряда в воздухе атмосферного давления.

В случае относительно высокой частоты повторения импульсов (/ > 1 кГц) обнаружить внешнее проявление ионов в лампе не удается. Но, по-видимому, в процессе возникновения релаксационных колебаний ионы играют важную роль, и их влияние в создании положительного сеточного смещения необходимо учитывать при любой длительности импульсов и частоте повторения импульсов.

5.3. Метод угла отсечки

АКС генерирует периодические колебания определенной формы. Такие колебания, как известно, можно разложить в ряд Фурье, т.е. в ряд гармонических функций вида

К = 1а0 +1 л собсЛ + 1«г соя2Ш+. , К = Ко + 1С\ созай+1с2 сс>52(Ы+. .

Если входящие в (5.14) коэффициенты Фурье 1а0,1а1,.,1с0,1с1,. известны, то можно определить все энергетические соотношения в автогенераторе.

Обычно нагрузка триода обладает резонансными свойствами, и поэтому она настроена в резонансе на частоту первой гармоники генерируемых колебаний.

В этом случае напряжения в АКС, а, следовательно, и на электродах электронной лампы, можно считать гармоническими функциями времени. Это допущение лежит в основе практически всех методов расчетов колебательных режимов высокочастотных АКС [127, 130-132]. В гармоническом анализе сеточное и анодное напряжение выражается формулами: ес=Ес+УтссояоХ; еа=Еа-УтаС08Ш, где Ес и Еа - постоянные составляющие напряжений ес и еа ; Утс и Ута -амплитуды переменных составляющих. Величина ^называется напряжением смещения, а е'с=УтсСО$оЛ,- напряжение возбуждения нелинейного элемента. Величина Еа - напряжение анодного питания и е'а = Ута СО- колебательное напряжение на НАЭ. В основе (5.15) лежит еще одно важное допущение о том, что переменные напряжения на аноде и на управляющем электроде противофазны (на это указывает знак минус).

При возбуждении напряжения сетки по (5.15) форма импульсов анодного тока может быть охарактеризована двумя величинами: высотой 1т и шириной. Половина части периода, в течении которой ток изменяется от максимального значения до нулевого, называется утлом отсечки - 6. При этом длительность импульсов анодного тока равна 2в. В пределах угла 2в форма импульса тока близка к отсеченной косинусоиде или трапеции. Анодный ток можно записать в виде ia = А + Bcoscot, (5.16) где Ли В - некоторые постоянные. Имея ввиду, что ia = lam при COS cot = 1 и ia = 0 при (Dt - 6, находим

COSCOt~COS& la = lam--:-7-, COS CO t > COS G. (5.17)

1 - COS0

Здесь учтено, что анодный ток не может принимать отрицательных значений. Угол отсечки 2 0 может принимать значения от 0 до 180°. Воспользовавшись формулами для вычисления коэффициентов ряда Фурье, найдем постоянную оставляющую и гармоники анодного тока sin#- 0)

Ja0 = *ат -^Г ' (5-18)

1-cos^j

6>-sin^cos6>) а\ ~ ^ат 7~, ' (5.19)

- COS в)

2\$тп всоъв - п cos« ^sin в\ hn = iam Л--' (5'2°) туп -1)(1 - cos^)

Отношения ап = ¥~ (5'21) am am 1 am называют коэффициентами постоянной составляющей, первой гармоники, второй гармоники анодного тока и т.д.

При выборе колебательных режимов НАЭ исходят из характерных соотношений между постоянными напряжениями и амплитудами переменных напряжений в цепях управляющей сетки и анода. Как будет показано, высокочастотные АКС практически могут работать в режиме класса С. Получающийся косинусоидальный импульс анодного тока содержит гармоники, причем первая гармоника тока Ial > ia0, что соответствует значительному КПД. Режим класса С соответствует дальнейшему увеличению напряжения смещения Ес за область, где анодный ток обращается в нуль. В этом случае косиыусоидальный импульс тока становится более острым, увеличивает отношение 1а1 / ia0, и торможение электронов в лампе происходит в моменты, соответствующие большим значениям анодного тормозящего потенциала.

5.4. Метод неизменных токов

Воспользуемся выведенными формулами в (5.3) для аппроксимации импульсов анодного и сеточного токов. Условия работы для получения максимального КПД и выходной мощности АКС определяется так же, как и для усилителя класса С. Следует только учитывать, что выходная мощность АКС меньше выходной мощности усилителя на величину, которая должна быть подведена к управляющему электроду из анодной цепи. Расчет осуществляется при условии, что мощность возбуждения, подводимая к сетке по цепи обратной связи, вычитается из выходной мощности, рассчитанной для лампы, работающей в усилителе. Зная угол отсечки 6, можно найти коэффициенты разложения косинусоидалъного импульса. Это позволяет определить отдаваемую активным элементом колебательную мощность и мощность, потребляемую от источника анодного питания. Если напряжение на нагрузке автогенератора (на его колебательной системе) гармоническое, то колебательная мощность выражается в виде

Р~ + ^VmcIcXC0S(p2, (5.22) где Vma, Vmc - амплитудные значения напряжения на аноде и сетке; 1а , 1с -амплитудные значения тока анода и сетки; <р2 - фазовые углы между током и напряжением на аноде и сетке.

Когда сопротивление анодной нагрузки практически активно, то (р1 и (р2 близки к нулю, и поэтому

111 1

Р~ = ^VmJa\ + ^'Vn^c\ = ^^ 1™Еа + -^с4спУтс ' (5-23) V где = —— коэффициент использования анодного напряжения.

Еа

Амплитуда переменного анодного напряжения Vma выражается в виде vma= Ea-vamin, (5.24) где Vamin - минимальное остаточное анодное напряжение, которое взаимосвязано с амплитудой возбуждения Vmc. При управлении высокочастотными АКС имеет место различная мощность источника возбуждения Vmc с неизменными Еа, Ес, R3 . Выходная мощность возрастает с увеличением амплитуды Vmc , пока не возникнет режим, при котором минимальное анодное напряжение Vamm— Еа- Vma становится равным максимальному сеточному напряжению Vc тах — Ес + Vmc. При дальнейшем увеличении Vmc может измениться форма импульса анодного тока с появлением впадины в импульсе за счет чрезмерного возрастания сеточного тока. Возникновение импульса анодного тока с впадиной также наблюдается в случае возрастания эквивалентного нагрузочного сопротивления

5.25)

Подводимая мощность образуется всеми постоянными напряжениями, приложенные к триоду: о = EaIa0 + Ес01с0. (5.26)

Источники напряжения Eq , Ес0 вводят внутрь триода мощность, которая в нем расходуется, рассеиваясь на аноде, сетке и катоде. Эта мощность потерь

Рп=Ро-Р~- (5-27)

Мощность переменного тока частично расходуется на тепловые потери в анодном контуре Рпк и поступает в ОВЧ-разряд:

Рр = Р~- Рпк ■ (5-28)

Мощность, рассеиваемая анодом каждой лампы, определяется по формуле кР„

Рй=-, (5.29) п где п - число ламп в АКС, к - множитель, представляющий отношение мощности, рассеиваемой на аноде лампы, к мощности переменного тока. В таблице № 3 представлены типовые отношения мощности, рассеиваемой анодом лампы, к ее полезной мощности [134].

заключение

Перечислим кратко основные результаты, полученные в настоящей диссертации.

1. Экспериментальными и теоретическими методами исследованы основные закономерности тепловых и газодинамических процессов, происходящих в свободном и экранированном ОВЧ-разряде.

Впервые выявлены устойчивые режимы горения ОВЧ-разряда с контрагированным, диффузным, шаровым плазменными образованиями и т.д.

Впервые получен ОВЧ-разряд с самовозбуждением и сильно неравновесной плазмой при нормальном и высоком давлении.

2. Усовершенствованы методы диагностики газо-плазменных потоков для получения качественной и количественной информации о свойствах пространственно неоднородного ОВЧ-разряда.

3. Исследованы газодинамические потоки, создаваемые ОВЧ-разрядом, с детализацией зон и структур. Обнаружены отрывные течения и переходные зоны, продольное и поперечное расслоение плазменных образований при сложной динамике развития.

5. Проведены измерения скорости газовых потоков и плазмы. Восстановлено пространственное распределение скорости потоков в условиях естественной и вынужденной конвекции. Показано, что в стационарном ОВЧ-разряде продольная скорость независимо от своего начального значения возрастает не более чем в 7 раз.

Разработан метод решения нелинейных уравнений газодинамики. Получены решения нелинейных уравнений смешанной конвекции. Сформирована система уравнений для расчета геометрических параметров, тепловых и газодинамических характеристик открытого ОВЧ-разряда. Показано, что в тепловом слое возникает течение с устойчивой стратификацией, способствующей стабилизации плазменного канала.

6. Проведены измерения поля температур в плазменном канале и тепловом слое. Обнаружено, что в стационарном ОВЧ-разряде радиальный профиль температуры имеет провал на оси, а максимальное значение температуры в плазме наблюдается на заметном расстоянии от острия электрода. При этом плазменный канал представляет собой единое целое или состоит из 2-3 осесимметричных плазменных слоев, разделенных четко выраженными контрастными поверхностями.

7. Выполнен комплекс теоретических исследований пространственно неоднородных тепловых полей во всем объеме плазменного канала, включая поверхность раздела плазма-газ. Построены теоретические модели теплообмена с замкнутой системой уравнений.

Показано, что локализация области поглощения электромагнитной энергии имеет место при неограниченном распространении тепла. Доказано, что плазменные каналы стационарного, импульсно-периодического ОВЧ-разрядов с пространственно неоднородными полями температур ограничены от горячего газа неизотермическими поверхностями при температурном факторе < 2.2.

8. Разработан метод функциональной аппроксимации для решения нелинейного уравнения энергии. Восстановлены двумерные тепловые поля в плазменных образованиях со сложной внутренней структурой и неизотермическими поверхностями раздела плазма-газ.

Изучены нелинейные закономерности перестройки тепловых полей в плазменных образованиях. Показано, что продольное расслоение плазменного канала происходит при образовании провала в радиальном профиле температуры, а скачкообразные переходы происходят при увеличении температурного фактора.

9. Предложен метод неизменных токов для расчета характеристик нелинейных активных элементов. Показано, что графоаналитическим методом можно проводить точные расчеты характеристик активных элементов с использованием закона степени трех вторых.

10. Созданы теоретические модели АКС с учетом расстройки и отстройки АЧХ и ФЧХ. Отмечено, что в АКС величина относительной расстройки соизмерима с величиной относительной отстройки.

11. Разработан комплекс высокочастотных АКС для получения ОВЧ-разряда в разных режимах возбуждения и горения.

Впервые созданы АКС с длинными линиями и АКС релаксационного типа для получения неравновесного устойчивого ОВЧ-разряда.

Получен ОВЧ-разряд с самовозбуждением при положительном автоматическом смещении на управляющем электроде генераторного триода. Получены новые экспериментальные данные спектра излучения плазмы и внутренней ОВЧ-разряда с самовозбуждением.

Разработаны способы управления режимами горения ОВЧ-разряда, осуществляемые при подаче на электрод радиоимпульсов длительностью

6+200)мкс и частоте повторения (104+30)кГц.

12. Разработаны ОВЧ-плазмотроны со стержневыми и полыми электродами. Предложен способ поджига ОВЧ-разряда внутри металлических и диэлектрических разрядных камер.

Построена математическая модель расчета характеристик ОВЧ-плазмотронов с контрагированной формой плазменного канала. Проведены измерения скорости газо-плазменных потоков в реальном режиме работы ОВЧ-плазмотрона.

Получены экспериментальные результаты физико-химических превращений диспергированных водных растворов в газо-плазменном потоке. Разработана плазмохимическая установка с парогазовихревым ОВЧ-плазмотроном для получения порошковых материалов.

13. Разработаны капиллярные ОВЧ-плазмотроны с самовозбуждением ОВЧ-разряда в разрядных камерах диаметром (20+500) мкм и различной топологии. Выявлены основные закономерности формирования импульсно-периодического ОВЧ-разряда в капиллярах. Показана возможность значительного повышения концентрации электронов в плазме, ограниченной стенками капилляра.

14. Разработаны высокочастотные плазменные аппараты для использования их в медицине, технологиях, образовании, спектроскопии.

В заключение, автор считает своим долгом выразить глубокую признательность академику Зуеву Владимиру Евсеевичу за предоставленную возможность вести научные исследования по данному направлению, а также выразить благодарность сотрудникам ИОА СО РАН за техническую помощь и моральную поддержку.

Список источников диссертации и автореферата по физике, доктора физико-математических наук, Тоболкин, Александр Савостьянович, Томск

2. Айнтс М.Х., Куду К.Ф., Хальясте А.Я. Пространственно-временное развитие одноэлектродного ВЧ разряда. Учен. зап. Тарт. ун-та, 1977, вып. 409, с.28-58.

3. Жуков М.Ф., Коротеев A.C., Урюков Б.А. Прикладная динамика термической плазмы. Н.: Наука, 1975. - 178 с.

4. Ватажин А.Б. и др. Электрогазодинамические течения. М.: Наука, 1983. -344с.

5. Батенин В.М., Климовский И.И. и др. СВЧ-генераторы плазмы: Физика, техника, применение. М.: Энергоиздат, 1988. - 224 с.

6. Рыкалин H.H., Сорокин A.M. Металлургические ВЧ-плазмотроны. Электро- и газодинамика. М.: Наука, 1987. 163 с.

7. Зилитинкевич С.И. Электрическое факельное истечение // Телеграфия и телефония без проводов, 1928, № 9.

8. Качанов A.B., Трехов Е.С., Фетисов Е.П. Электродинамическое описание высокочастотного факельного разряда // В сб.: Физика газоразрядной плазмы. М.: Атомиздат, 1968. Вып.1. - С.39-47.

9. Качанов A.B. Лабораторный высокочастотный факельный плазмотрон и электродинамические параметры разряда в нем // В сб.: VIII Всесоюзная конференция по генераторам низкотемпературной плазмы. Тезисы докладов. Ню: ИТФ, 1980. С. 107-110.

10. Аппаратура и методы исследований плазмы ВЧ разрядов // Под ред. Тихомирова И.А. Томск, ТПИ, 1976. - 62 с.

11. Капцов H.A. Электроника. М.: ГИТТЛ, 1956. - 459 с.

12. Айнтс М., Куду К. Возникновение самостоятельного ВЧ разряда в воздухе //В сб.: Всесоюзный семинар по высокочастотному пробою газов. -Тарту: ТГУ, 1989. С. 11-13.

13. Айнтс М.Х. Установление температуры в канале ВЧ-разряда // Учен.зап. Тарт.ун-та, 1985, № 707. С.3-10.

14. Хальясте А.Я. Исследование пространственно-временного развития одноэлектродного ВЧ разряда // Автореферат на соиск. уч. ст. к. ф.-м.н. -Тарту: ТГУ, 1988. 16 с.

15. Жуков A.A., Бесхлебный С.И., Цыгун Н.К., Микицей Я.И. Влияние УФ облучения электрода на пороговые напряжения возникновения ВЧ пробоя в воздухе //В сб.: Всесоюзный семинар по высокочастотному пробою газов. Тезисы докл. Тарту, 1989. с. 15-17.

16. Теория электрической дуги в условиях вынужденного теплообмена / Под ред. М.Ф.Жукова. Н.: Наука, 1977. - 312 с.

17. Синкевич O.A., Стаханов И.П. Физика плазмы. Стационарные процессы в частично ионизованном газе. М.: Высшая школа, 1991. - 191 с.

18. Теоретическая и прикладная плазмохимия // Сб.статей. М.: Наука, 1975. - 304 с.

19. Ховатсон А.М. Введение в теорию газового разряда. М.: Атомиздат, 1980. - 182 с.

20. Жуков М.Ф., Смоляков В .Я., Урюков Б.А. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). М.: Наука, 1973,- 232 с.

21. Жуков М.Ф., Козлов Н.П. и др. Приэлектродные процессы в дуговых разрядах. Н.: Наука, 1982. - 158 с.

22. Жуков М.Ф. и др. Электродуговые генераторы с межэлектродными вставками. Н.: Наука, 1981. - 221 с.

23. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992. - 536 с.

24. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. -М.: Наука, 1980.-415 с.

25. Плазмохимические реакции и процессы / Под ред. Л.С.Полака. М.: Наука, 1977. - 320 с.

26. Экспериментальные исследования плазмотронов / Под ред. М.Ф.Жукова. Н.: Наука, 1977. - 331 с.

27. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967. - 883 с.

28. Гуревич A.B., Шварцбург А.Б. Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере. М.: Наука, 1973. - 272 с.

29. Голант В.Е., Жилинский А.П., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы. -М.: Атомиздат, 1977. 384 с.

30. Лукьянов Г.А. Сверхзвуковые струи плазмы. А.: Машиностроение, 1985.- 264 с.

31. Смирнов Б.М. Физика слабоионизованного газа. М.: Наука, 1978. - 416с.

32. Кононенко К.И. Детекторные свойства газоразрядной плазмы. М.: Атомиздат, 1980. - 126 с.

33. Романенко И.Н. Импульсные дуги в газах. Чебоксары: Из-во ЧГУ, 1976.- 136 с.

34. Кургиев Г.А., Привалов В.Е., Фофанов Я.А. Страты в гелий-неоновых лазерах. Киев: Наукова думка, 1986. - 88 с.

35. Плазменные ускорители и ионные инжекторы / Под ред. Козлова Н.П., Морозова А.И. М.: Наука, 1984. - 272 с.

36. Александров А.Ф., Богданкевич A.C., Рухадзе A.A. Основы электродинамики плазмы. М.: Наука, 1978. - 407 с.

37. Жданов В.М. Явления переноса в многокомпонентной плазме. М.: Энергоиздат, 1982. - 176 с.

38. Тихомиров И.А., Тоболкин A.C., Гендрин А.Г. Теория и расчет характеристик плазмы высокочастотного факельного плазмотрона // В сб.: V Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы. Тезисы докл. Киев: Из-во ФОЛ АН УССР. С.503.

39. Тихомиров И.А., Тоболкин A.C., Гендрин А.Г. Расчет высокочастотного факельного плазмотрона // В сб.: III Всесоюзное совещание "Плазменные потоки в металлургии и технологии неорганических материалов". М.: ИМЭТ АН ССР, 1979. С.88.

40. Тихомиров И.А., Тоболкин A.C., Гендрин А.Г. Расчет высокочастотного факельного плазмотрона // ФХОМ, 1979, №6. С. 101-104.

41. Тихомиров И.А., Тоболкин A.C. Теория и расчет высокочастотного факельного плазмотрона // Научный отчет, инв.№ 3615. Томск: ТПИ, 1980. 57с.

42. Тоболкин A.C. Исследования по теории, конструированию и режимам работы высокочастотных факельных плазмотронов с целью их практическогоиспользования // Канд. дисс. на соиск. уч.ст. канд. физ.-мат. наук. Томск: ТЛИ, 1981. 156 с.

43. Тоболкин A.C. Исследования по теории, конструированию и режимам работы высокочастотных факельных плазмотронов с целью их практического использования // Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. физ.-мат.наук. Томск: ТПИ, 1981. 24 с.

44. Николаев В.М. О приближенном выражении для эффективного числа столкновений электронов с частицами в низкотемпературной воздушной плазме // Радиотехника и электроника, 1986. Т.31, № 1. С.206.

45. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1972. - 735 с.

46. Самарский A.A., Галактионов В.А., Курдюмов С.П., Михайлов А.П. Режимы с обострением в задачах для квазилинейных параболических уравнений. М.: Наука, 1987. - 480 с.

47. Белостоцкий Б.Р., Рубанов A.C. Тепловой режим твердотельных оптических квантовых генераторов. М.: Энергия, 1973, 168 с.

48. Фенкельбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма. -М.: Из-во иностр. лит-ры, 1961. 370 с.

49. Бортничук Н.И., Крутянский М.М. Плазменно-дуговые плавильные печи. М.: Энергоиздат, 1981. - 120 с.

50. Андерсен Д.Э. Явления переноса в термической плазме. М.: Энергия, 1972. - 152 с.

51. Донской A.B., Клубникин B.C. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1979. - 221 с.

52. Лонгмайр К. Физика плазмы. М.: Атомиздат, 1966. - 342 с.

53. Гурович В.Ц., Десятков Г.А., Энгелыпт B.C. Вариационный принцип и каналовые модели в теории цилиндрической дуги // ТВТ, 1980. Т. 18. Вып.2. -С.256-265.

54. Лепер Д.П. Вариационный принцип и принцип минимума Штеенбека в теории цилиндрической дуги // ЖТФ, 1973. Т.43 Вып.7. С. 1501-1506.

55. Розовский М.О. О вариационном подходе к расчету индукционного высокочастотного разряда //ПМТФ, 1973, №2. С.42-47.

56. Митин Р.В., Звягинцев А.В., Гончар Н.П. Расчет характеристик емкостных высокочастотных разрядов // ТВТ, 1981. Т. 19, №2. С.246-252.

57. Тоболкин А. С. Диссипативные структуры ВЧ факельного разряда // В сб.: Всесоюзный семинар по высокочастотному пробою газов. Тезисы докладов Тарту: ТГУ, 1989. с. 102-104.

58. Тоболкин А. С. Золотое сечение в диссипативных процессах // В сб.: II Межреспубликанский симпозиум "Оптика атмосферы и океана". Тезисы докл. Томск: ИОА СО РАН, 1995. с.48-49.

59. Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы. М.: Мир, 1974. - 304 с.

60. Канторович Л.В., Крылов В.И. Приближенные методы высшего анализа. -М.: ГИТА, 1949. 695 с.

61. Бердичевский В.Л. Вариационные принципы механики сплошной среды.- М.: Наука, 1983. -448 с.

62. Овсянников Л.В. и др. Нелинейные проблемы теории поверхностных и внутренних волн. Н.: Наука, 1985. - 318 с.

63. Вихри и волны // Сб.статей. М.: Мир, 1984. - 336 с.

64. Бейтман Г. МГД неустойчивости. - М.: Энергоиздат, 1982. - 200 с.

65. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. -711 с.

66. Турбулентность. Принципы и применения / Под ред. У.Фроста, Т.Моулдена. М.:Мир, 1980. - 535 с.

67. Шукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. М.: Машиностроение, 1982- 200 с.

68. Методы расчета турбулентных течений / Под ред. В.Кольмана. М.: Мир, 1984. - 464 с.

69. Турбулентные течения реагирующих газов / Под ред. П.Либби, Ф.Вильямса. М.: Мир, 1983. - 328 с.

70. Волчков Э.П. Пристенные газовые завесы. Н.: Наука, 1983. - 240 с.

71. Черный Г.Г. Газовая динамика. М. Наука, 1988. - 424 с.

72. Седов А.И. Механика сплошной Среды. М.: Наука, 1973. - 584 с.

73. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод "крупных частиц" в газовой динамике. М.: Наука, 1982. - 391 с.

74. Бонд Дж., Уотсон Дж., Уэлч Дж. Физическая теория газовой динамики. -М.: Мир, 1968. 556 с.

75. Брушлинский К.В., Морозов А.И. Расчет двумерных течений плазмы в каналах // В кн.: Вопросы теории плазмы. М.: Атомиздат, 1974. Вып. 8. - С.88-163.

76. Лапин Ю.В. Турбулентный пограничный слой в сверхзвуковых потоках газа. М.: Наука, 1982. - 312 с.

77. Четверушкин Б.Н. Математическое моделирование задач динамики излучающего газа. М.: Наука, 1985. - 304 с.

78. Джалурия И. Естественная конвекция. М.: Мир, 1983. - 400 с.

79. Гликман Б.Ф. Математические модели пневмогидравлических систем. -М.: Наука, 1986. 368 с.

80. Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена. М.: Машиностроение, 1988. - 280 с.

81. Бек Дж., Блакуэлл Б., Сент-Клэр Ч. Некорректные обратные задачи теплопроводности. М.: Мир, 1989. - 312 с.

82. Райзер Ю.П., Суржиков С.Г. Непрерывная генерация плазмы высокого давления излучением СО лазера // В сб.статей: Высокочастотный разряд в волновых полях. - Горький, 1988. - С.252-264.

83. Тоболкин A.C. Двумерное поле температуры в оптическом разряде // Журнал оптики атмосферы, 1988, №3. С.50-56.

84. Тоболкин A.C. Локализация тепла в плазмоидах, возникающих в атмосфере // В сб.: Научно-техн. школы-семинара "Непериодические быстропротекающие явления в окружающей среде". Тезисы докл. Томск: ТПИ, 1988. С.149.

85. Лунев В.И., Сальников В.Н., Тоболкин A.C. Синергетический подход к проблеме образования плазмоидов в атмосфере // В сб.: Научно-техн.школы-семинара "Непериодические явления в окружающей среде". Тезисы докл. Томск: ТПИ, 1988. С.27-28.

86. Лунев В.И., Сальников В.Н., Тоболкин A.C. Синергетический подход к проблеме образования и существования плазмоидов в атмосфере // В сб.: XII научной конференции. М; МФТИ, 1987. С.23-24.

87. Fower С., Smith D. Ignition and maintenance of subsonic plasma waves in atmospherie pressure air by cw C02 laser radiation and their effect on laser beam propagation //J. Appl. Phys. 1975, V.46, № 1. - p. 138-150.

88. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения. М.: Мир, 1974. - 470с.

89. Агеев В.П., Бункин Ф.В. и др. Пробой газов вблизи твердых мишеней импульсным излучением СО лазеров // Известия ВУЗов, физика. - 1977, № 11. - С.34-60.

90. Данилычев В. А., Зворыкин В. Д. Экспериментальное исследование радиационно-газодинамических процессов, развивающихся под действием мощных лазерных импульсов с-к = 10.6 мкм на твердое вещество в газовой среде // Труды ФИАН. 1983. Т. 142. - С. 117-171.

91. Гильмутдинов А.Х., Рыжов В.В. Скорости конвективных потоков воздуха в электрических дугах // ЖПС, т.42. вып.З, 1985. С.357-364.

92. Скотников М.М. Теневые количественные методы в газовой динамике. -М.: Наука, 1976. 160 с.

93. Васильев A.A., Ершов И.В. Интерферометр с дифракционной решеткой. -М.: Машиностроение, 1976. 232 с.

94. Сороко A.M. Основы голографии и когерентной оптики. М.: Наука, 1971. - 616 с.

95. Физические измерения в газовой динамике и при горении / Под ред. Ладенбурга и др. М.: Из-во иностр.лит-ры, 1957. - 484 с.

96. Хауф В., Григуль У. Оптические методы в теплопередаче. М.: Мир, 1973. - 240 с.

97. Грим Г. Спектроскопия плазмы. М.: Атомиздат, 1969. - 452 с.

98. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. -М.: Мир, 1988. 416 с.

99. Криксунов Л.З., Падалко Г.А. Тепловизоры. Киев: Техника, 1987. - 166с.

100. Бекетова А.К., Белозеров А.ф. и др. Голографическая интерферометрия фазовых объектов. Л.: Наука, 1979. - 232 с.

101. Гинзбург В.М., Степанов Б.М. Голографические измерения. М.: Радио и связь, 1981. - 296 с.

102. Русанов В. Д. Современные методы исследования плазмы. М.: Госатомиздат, 1962. - 183 с.

103. Пятницкий Л.Н. Лазерная диагностика плазмы. М.: Атомиздат, 1976. -424 с.

104. Шеффилд Дж. Рассеяние электромагнитного излучения в плазме. М.: Атомиздат, 1978, - 280 с.

105. Василенко Ю.Г., Дубнищев Ю.Н. Лазерные доплеровские измерители скорости. Н.: Наука, 1975. - 164 с.

106. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс B.C. Методы лазерной доплеровской анемометрии. М.: Наука, 1987. - 304 с.

107. Дубовик A.C. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. М.: Наука, 1975ю - 456 с.

108. Саватеев A.B. Шумовая термометрия. Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 132с.

109. Болотин И.Б., Зайдель Л.З. Измерения при испытании аппаратов в режимах короткого замыкания. Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 201 с.

110. Яковлев Н.И. Бесконтактные электроизмерительные приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.

111. Альбом течений жидкости и газа / Сост.М.Ван-Дайк. М.: Мир, 1986. -184 с.

112. Тихомиров И.А., Тоболкин A.C. и др. Исследование плазмы высокочастотного факельного разряда с помощью теневого прибора ИАБ-451 // В сб.: V Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы. Тезисы докл. Киев: изд. ФОЛ АН УССР, 1979, с. 510.

113. Тихомиров H.A., Тоболкин A.C., Ткаченко А.Г. Исследования характеристик и режимов горения ВЧ факельного разряда // ЖТФ, 1983. Т.53. Вып. 6. с. 1179-1181.

114. Тоболкин A.C. Способ измерения скорости движения плазмы. Авторское свидетельство № 1268077.

115. Тоболкин А. С. Способ определения размеров плазмы высокого давления. Авторское свидетельство № 1597675.

116. Тоболкин А. С., Нетреба П.И., Тузов В.Л. Измерения скорости движения плазмы // В сб.: II Всесоюзная научно-техническая конференция "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации". Тезисы докл. Л. 1987. с. 44.

117. Тоболкин А. С., Нетреба П.И. Регистрация скорости потоков ВЧФ-разряда методом АДА // В сб.: III Всесоюзной конференции "Применение лазеров в технологии и системах передачи и отработки информации". Тезисы докл. Таллин. 1987. с.29-30.

118. Тоболкин А. С., Нетреба П.И. Методы диагностики воздушного ВЧ факельного разряда // В сб.: Всесоюзный семинар по высокочастотному пробою газов. Тезисы докл. Тарту: ТГУ, 1989. с. 140-142.

119. Рейно В.В., Тоболкин А. С., Шерстобитов М.В. Термография локализованных неоднородных плазменных образований // В сб.: II Межреспубликанский симпозиум "Оптика атмосферы и океана". Тезисы докл. Ч. II. Томск: ИОА СО АН СССР, 1995. с.335-336.

120. Рейно В.В., Тоболкин А. С., Шерстобитов М.В. Термография локализованных неоднородных плазменных образований // Журнал оптики атмосферы и океана. Т.8, № 12. с. 1866-1870.

121. Tyutyunnikow S.I., Shalyapin V.N., Tobolkin AS. Raguo-freguency one-electrode source of plasma with automodulation for gas anulysis // Preprint of the Joint Institute for Nualear Rasearch. Dubna, 1994. 6p.

122. Тарасенко В.Ф., Тоболкин A.C. и др. Широкополосное излучение плазмы инертных газов при возбуждении модулированным ВЧ-разрядом // Известия ВУЗов. Физика. 1995, № 10. - с.32-36.

123. Poplavscki Yu., Serdyukov V., Sinitsa L., Tobolkin A. The use of low-temperature plasma for spectra investigations in the intracavity laser spectrometer // SPiE, v.2619. p.280 - 282.

124. Serdyukov V., Sinitsa L., Poplavscki Yu., Tobolkin A. Intracavity laser spectroscopy of excited atoms and molecules // Fbstracts of 14 colloquium of high resolution molecular spectroscopy Dij on, 1996/ - p.253.

125. Бонч-Бруевич A.M. Применение электродных ламп в экспериментальной физике. М.: ГИТА, 1956. - 654 с.

126. Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М.: Наука, 1981. - 640 с.

127. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989. - 544 с.

128. Рамм Г.С. Триодные генераторы колебаний сверхвысоких частот. М.: Военное из-во МО СССР, 1955. - 248 с.

129. Капранов М.В., Кулешов В.Н., Уткин Г.М. Теория колебаний в радиотехнике. М.: Наука, 1984. - 320 с.

130. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Советское радио, 1987. - 327 с.

131. Самойло К.А. Метод анализа колебательных систем второго порядка. -М.: Советское радио, 1976. 208 с.

132. Донской А.В., Рамм Г.С., Вигдорович Ю.Б. Высокочастотные электротермические установки с ламповыми генераторами. Л.: Энергия, 1974. - 208 с.

133. Брамлер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника. М.: Высшая школа,1968. 368 с.

134. Кугушев А.М., Голубева Н.С. Основы радиоэлектроники. М.: Энергия,1969. 880 с.

135. Зевеке Г.В., Ионкин Г.А., Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 528 с.

136. Chaffee E.L. A simplified Harmonic Analysis // Rev. Sci. Instr. V.7, 1936. -p.384-389.

137. Morrisroe P.J. Inductively coupled plasma torch. Patent № 0281158.

138. Тоболкин А.С. и др. Способ генерации плазмы в ВЧФ плазмотроне. Авторское свидетельство № 1112998.

139. Тоболкин А.С. Высокочастотный генератор плазмы. Патент РФ. № 2030849.

140. Тоболкин A.C. Высокочастотный генератор плазмы. Патент РФ. № 2035130.

141. Тоболкин A.C., Нетреба П.И. Области применения маломощного ВЧ факельного разряда // В сб.: Всесоюзный семинар по высокочастотному пробою газов. Тезисы докл. Тарту: ТГУ, 1989. с.220-222.

142. Тихомиров И.А., Карелин А.И., Теплоухов В.Л., Каренгин А.Г., Тоболкин A.C. //Доклад инв. № 6272. Москва, 1976.

143. Тихомиров H.A., Тоболкин A.C. Экспериментальные исследования высокочастотных факельных плазмотронов // Научный отчет, инв. № 3616. -Томск: ТЛИ, 1980. 63 с.

144. Тихомиров И.А., Тоболкин A.C. Научный отчет, инв. № 3619. Томск: ТПИ, 1980. - 43 с.

145. Тихомиров И.А., Карелин А.И., Теплоухов В.А., Каренгин А.Г., Тоболкин А. С. и др. Высокочастотный факельный плазмотрон с реактором для переработки растворов и разложения веществ // Пристендовая листовка ВДНХ. Томск: ТПИ, 1980. 3 с.

146. Тоболкин A.C. и др. Высокочастотный факельный плазмотрон. Авторское свидетельство № 882393.

147. Тоболкин A.C. и др. Способ демеркуризации люминисцентных ламп. Патент РФ №

148. Тихомиров И. А., Тоболкин A.C. Высокочастотные факельные плазмотроны с полыми трубчатыми электродами // В сб.: Плазменная техника, технология и их применение. Тезисы докл. Казань, 1981. с.32-33.

149. Тоболкин A.C., Башагуров О.Г. Релаксационный высокочастотный генератор с самовозбуждением одноэлектродного разряда // В сб.: II Межреспубликанский симпозиум "Оптика атмосферы и океана ". Тезисы докл. 4.II. Томск: ИОА СО АН СССР, 1995. с.349-350.

150. Тоболкин A.C., Бурыхин В.И., Рысев В.А. Распределение флуктуаций температуры и показателя преломления в газоплазменной оптической системе // В кн.: Нелинейная оптика и оптоакустика атмосферы. Сб. статей. Томск: ИОА СО АН СССР, 1988. с. 108-114.

151. Тоболкин A.C. Влияние амплитудной модуляции на режимы горения ВЧ факельного разряда // В сб.: Всесоюзный научный семинар "Взаимодействие акустических волн с плазмой". Тезисы докл. Ереван: Армян. АН. с.89-90.

152. Тоболкин A.C. Роль акустических колебаний на формирование структур ВЧ разряда // В сб.: Всесоюзный научный семинар "Взаимодействие акустических волн с плазмой". Тезисы докл. Ереван: Армян. АН. с.91.

153. Бочкарев H.H., Красненко Н.П., Нетреба П.И., Тоболкин A.C. Плазменный излучатель звука в задачах атмосферной акустики // В кн.: Распространение звуковых и оптических волн в атмосфере. Сб. статей. Томск: ИОА СО АН СССР. 1988. с.93-96.

154. Актуальный репортаж "Гори, гори ясно" / Т.Горчаков, Г.Фомин // Наука в России. 1992, № 4. - с.42-43.280