СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ГАЗОВОГО РАЗРЯДА Российский патент 1995 года по МПК H05H1/00 H01S3/00 

Изобретение относится к области получения устойчивого тлеющего разряда и может быть использовано при создании газовых лазеров и плазмохимических реакторов.

Эффективность работы большинства газоразрядных приборов существенно снижается при нарушении однородного объемного горения разряда, т.е. при развитии в нем различных неустойчивостей.

Известен способ стабилизации разряда, в котором для повышения устойчивости разряда по отношению к ионизационно-перегревной неустойчивости-контракции используется секционирование электродов. Этот способ позволяет повысить энерговклад в разряд. Недостатком этого метода является его узкая направленность, т.к. он позволяет поднять порог развития ионизационно-перегревной неустойчивости, од-нако другие виды неустойчивостей, например, прилипательная, при этом не подавляются. Кроме того, реализация этого способа требует изготовления большого количества электродных элементов, подключаемых к индивидуальным балластным сопротивлениям, достаточна сложна и дорога.

Известен способ стабилизации разряда по отношению к развитию прилипательной неустойчивости [1] . Стабилизация достигается за счет помещения в катодную область разряда плохо обтекаемого тела, создающего высокую степень турбулентности. Недостатком этого способа является снижение при этом порога устойчивости разряда по отношению к контракции, т.к. внесение постороннего тела в зону разряда приводит к концентрации на его поверхности силовых линий электрического поля, что, в свою очередь, приводит к повышению локального энерговыделения и ускорению развития контракции.

За прототип выбран способ стабилизации разряда [2], основанный на диагностировании разряда по излучению (свечению) плазмы. Физическая основа данного способа заключается в изменении характера свечения плазмы при развитии в ней неустойчивостей, при этом каждому виду неустойчивости соответствует свой характер свечения. Определение конкретного типа неустойчивости по изменившемуся свечению позволяет управлять параметрами разряда (ток, напряжение, давление и скорость газа и т.д.) и переводить (вводить) их в область устойчивого горения разряда. Данный способ позволяет существенно поднять пороги развития неустойчивоcтей разряда. Недостатком этого способа является необходимость изготовления газоразрядной камеры из прозрачного (в видимом диапазоне) материала, сложность и высокая стоимость регистрирующей аппаратуры. Кроме того, свечение плазмы при развитии ряда неустойчивостей, например доменной, достаточно слабое, что затрудняет ее диагностирование и последующее ее подавление для стабилизации разряда. Газоразрядные камеры в большинстве приборов работают под пониженным либо при давлении выше атмосферного. Поэтому требуется их надежная герметизация. С этой точки зрения наиболее подходящими материалами для их изготовления являются металлы, т.е. вещества непрозрачные в видимом диапазоне.

Целью изобретения является повышение устойчивости разряда, увеличение энерговклада и осуществление стабилизации самостоятельного разряда. Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе стабилизации самостоятельного разряда в потоке газа, при котором осуществляют диагностику неустойчивости разряда с определением характера неустойчивости по излучению (свечению) плазмы и производят ее подавление, предложено диагностику неустойчивого разряда осуществлять путем измерения спектра, сопутствующего видам неустойчивости электро- магнитного излучения в радиодиапазоне, при этом подавление неустойчивостей осуществлять путем изменения параметров разряда.

Сущность изобретения заключается в использовании для стабилизации самостоятельного газового разряда установленного авторами соответствия каждого вида неустойчивости плазмы своему характеру колебаний тока и спектру излучений в радиодиапазоне.

Существо предложения поясняется фиг.1-7.

На фиг.1 показана газоразрядная камера; на фиг.2 - спектр ЭМИ при развитии доменной неустойчивости в разряде; на фиг. 3 - cпектр ЭМИ при развитии контракции; на фиг.4 - спектр ЭМИ при образовании преддуговых электродных пятен; на фиг.5 - спектр ЭМИ при возникновении газодинамических возмущений; на фиг.6 - фон ЭМИ в экспериментальном зале; на фиг.7 - схема измерений.

Предложенный способ реализуют следующим образом.

Эксперименты проводились со стационарным поперечным тлеющим разрядом (направление тока перпендикулярно направлению потока).

Газоразрядная камера (ГРК) представляет собой прямоугольный канал из диэлектрических стенок, в который вмонтирована электродная система, состоящая из сплошного металлического анода 1 и расположенного напротив секционированного катода 2. Газ прокачивается через ГРК вентиляционной системой 3. Подачей на электроды камеры электрического напряжения в ГРК возбуждается самостоятельный тлеющий разряд. По мере повышения тока разряда в плазме начинают развиваться неустойчивости: контракция, домены и т.д. При этом в окружающем пространстве возникает электромагнитное излучение. Типичный вид спектров при развитии доменной неустойчивости и контракции разpяда представлен на фиг. 2 и 3 соответственно. На фиг.4 представлен спектр ЭМИ при образовании на электродах ГРК преддуговых пятен. При этом разряд в межэлектродном пространстве горит объемно и устойчиво. Однако если не предпринять специальных мер по стабилизации разряда (увеличение скорости потока, уменьшение давления, тока и т.д.), то из электродных пятен через некоторое время начинают прорастать в объем разряда ярко светящиеся шнуры и однородное объемное горение разряда нарушается. На фиг.5 изображен спектр ЭМИ связанного с газодинамическими турбулентными пульсациями потока. Если уровень этих пульсаций будет достаточно высокий, то это приводит к развитию ионизационно-перегревной неустойчивости разряда - контракции. Поэтому необходимо с помощью системы формирования потока газа добиваться создания мелкомасштабной турбулентности, способствующей стабилизации разряда. Требуемая структура турбулентности создается введением в поток турбулизаторов определенной формы и варьированием скорости давления газа. На фиг.6 представлен среднестатистический фон ЭМИ в зале при проведении экспериментов. Как видно из представленных чертежей, спектр ЭМИ, сопутствующий видам неустойчивости, значительно превышает фон ЭМИ в зале. Роль газоразрядной плазмы с развивающейся неустойчивостью сводится к созданию колебаний тока в цепи: источник питания - подводящие провода-газоразрядная камера, приводящих к возникновению сопутствующего электромагнитного излучения. При этом излучение электромагнитных волн производится не непосредственно плазмой в газоразрядной камере, а всем указанным замкнутым контуром, в котором межэлектродный промежуток катод-анод занимает малую часть. Поэтому материал стенок камеры не имеет с точки зрения излучения электромагнитных волн существенного значения. Диагностика сопутствующего электромагнитного излучения осуществлялась с помощью панорамного анализатора спектра 5 (фиг.7). Сигнал с антенны 4 поступает на вход анализатора спектра, на экране которого регистрируется спектр частот электромагнитного излучения, сопутствующего развивающемуся виду неустойчивости. Изменяя режимы работы установки (ток, давление, скорость, расход газа и т.п.), добиваются подавления возникающих в процессе работы камеры неустойчивостей и, соответственно, исчезновения сопутствующего этим неустойчивостям спектра.

Преимущество предложенного способа:
- надежная диагностика неустойчивости;
- высокая чувствительность к развивающимся неустойчивостям на начальном этапе;
- малая задержка по времени между началом развития неустойчивости и появлением ЭМИ;
- возможность диагностирования неустойчивости и ее подавления без визуального контроля за состоянием разряда;
- простота экспериментальной реализации.

Использование: в газовых лазерах, плазмохимических реакторах. Сущность изобретения: диагностика развивающихся в плазме неустойчивостей по характерному для каждого вида неустойчивостей спектру электромагнитного излучения в радиодиапазоне. Подавление неустойчивостей осуществляется путем изменения параметров разряда. 7 ил.

СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ГАЗОВОГО РАЗРЯДА, заключающийся в определении характера неустойчивости разряда путем измерения сопутствующего разряду электромагнитного излучения и сравнения его с предварительно измеренным излучением, сопутствующим неустойчивому горению разряда, и подавлении выявленных неустойчивостей путем изменения параметров разряда, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости разряда, увеличения энерговклада и осуществления стабилизации разряда при необходимом энерговкладе, характер неустойчивости определяют путем измерения спектра электромагнитного излучения в радиодиапазоне, характеризующим колебания тока в разрядной цепи.