Высокочастотные плазмотроны
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
Введение
Название "плазмотрон" и сами принципы удержания и стабилизации термической плазмы родились в конце 50х - начале 60х годов. История создания ВЧ-плазмотрона как конструкции началась приблизительно с 1957 года с поисков возможностей стабилизации разряда в пространстве, увеличения термостойкости кварцевых труб, в которых разряд возникал. Нужно было определить диапазон частот ламповых генераторов, диаметры разрядных камер, способы "зажигания" и перехода на атмосферное давление.
Основой плазменных установок всегда были технические возможности высокочастотных генераторов - источников питания. В конце XIX века ламповых генераторов не было. Современная мощная радиотехника начинала путь с маломощных импульсно-ударных генераторов Герца, катушек Румкорфа и трансформаторов Тесла.
И тем не менее уже с помощью этих примитивных усройств удалось получить высокочастотные индукционные (ВЧИ) и высокочастотные емкостные (ВЧЕ) разряды.
Впервые упоминание о высокочастотном безэлектродном разряде встречается в работе Гитторфа, опубликованной в 1884 году. Он заметил, что остаточный газ в вакуумной трубке, помещённой в соленоид, начинает светиться, как только через соленоид начинает пропускаться высокочастотный ток. Сам Гитторф и позднее Томсон высказывали предположение, что этот вид разряда вызван не электрическим, а магнитным полем соленоида и имеет характер индукционного тока в газе. Дальнейшее развитие индукционная теория безэлектродного высокочастотного разряда получила в фундаментальных работах Томсона, вышедших в 1926-1927 годах. Томсон полагал, что основной причиной возникновения разряда является магнитное поле соленоида. В экспериментальной части своей работы Томсон убедительно доказал, что безэлектродный разряд имеет индукционную природу.
Следующим важным этапом явились работы Таунсенда и Дональдсона. Авторы возражали против индукционной (магнитной) гипотезы разряда. Они указывали, что напряжённость электрического поля между крайними витками соленоида в 30-40 раз больше напряжённости электрического поля, наводимого переменным магнитным полем. Они считали, что разряд вызван электрическим полем индуктора, и доказывали, что геометрия поля может обеспечить кольцевую форму разряда. Такая принципиальная разница в точках зрения Таунсенда и Томсона привлекла к исследованию этого вопроса многочисленных исследователей.
В работах многих учёных (Мак-Кинон, Книпп, Смитт, Брейзфилд и др.), опубликованных с 1929 по 1934 года, на примерах разнообразных опытов было показано, что в вакуумном баллоне, помещённом в высокочастотный индуктор, могут существовать обе формы разряда: разряд, вызванный электрическим полем витков индуктора, и разряд индукционного типа. Впоследствии эти формы разряда Г.И. Бабат назвал Н-разрядом (ВЧИ) и Е-разрядом (ВЧЕ).
Как было показано, противоречивость результатов экспериментов Таунсенда и Томсона была вызвана различными условиями их проведения. Томсон пользовался генератором высокочастотных затухающих колебаний и работал в узкой области сравнительно низких давлений газа. Таунсенд использовал в своих работах ламповый генератор незатухающих колебаний для возбуждения разряда в газах с более широким диапазоном давлений.
Мак-Кинон в своих экспериментах воспроизвёл условия работы Таунсенда и Томсона. Он применил два источника питания и доказал, что даже на генераторе незатухающих колебаний (схема Таунсенда) можно получить чётко выраженную форму ВЧИ-разряда. Было показано, что разряд в колбе (трубке) действительно возникает под действием электрического поля между витками соленоида и носит характер продольного слабого свечения вдоль всей колбы. Однако при дальнейшем увеличении амплитуды высокочастотных колебаний свечение становится ярче и, наконец, возникает яркий кольцевой разряд, появление которого можно определить по силе светового излучения и реакции генератора (падение напряжения). Продольное свечение от Е-поля при этом исчезает. Поместив колбу снаружи индуктора, в зоне действия Е-поля, Мак-Кинон смог получить только продольное свечение ВЧЕ-разряда, который ни при каких условия не переходил в ВЧИ-форму.
После выяснения природы высокочастотного безэлектродного разряда интерес к этому виду разряда как к физическому явлению пропал на длительное время. Все эксперименты в тот период проводились на сравнительно маломощных источниках и поэтому ни о каком практическом применении такого разряда не могло быть и речи.
С появлением более мощных ламповых генераторов и увеличением мощности самого разряда начинается качественно новый период в исследовании высокочастотного безэлектродного разряда.
Изучению свойств безэлектродных высокочастотных разрядов посвящена работа Штрауса. Он исследует влияние рода газа на зажигание безэлектродного разряда. в качестве исследуемых газов были взяты благородные газы, азот, водород и пары ртути и йода. Он вывел зависимость потенциала зажигания безэлектродного разряда в разрядной камере.
Впервые конструкция "ВЧ плазменной горелки" с прямоструйной газовой стабилизацией появилась в работах Рида. Конструкция и принцип действия оказались столь надёжными, что позволили использовать "ВЧ плазменную горелку" в технологическом процессе выращивания кристаллов рубина и сапфира. Однако надёжность и простота этого плазмотрона были оценены лишь со временем, а сегодня ВЧ-плазмотроны Рида широко применяются, особенно в установках н