Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СВЧ-плазмотроны в промышленности и науке 11
1.1. Области применения СВЧ-плазмы 11
1.2. Устройство СВЧ-плазмотронов 19
1.3. Характеристики СВЧ-плазмы 28
1.4. Бактерицидное воздействие СВЧ-плазмы 33
1.5. Современные разработки СВЧ-плазмотронов 39
Глава 2. Разработка рабочей камеры СВЧ-плазмотрона 50
2.1. Выбор типа рабочей камеры 50
2.2. Сравнение резонаторных рабочих камер 56
2.3. Расчет и оптимизация резонаторной рабочей камеры СВЧ-плазмотрона 63
2.4. Расчет теплового режима кварцевой разрядной трубки 70
2.5. Расчет электромагнитной безопасности СВЧ-плазмотрона 79
Глава 3. Конструирование СВЧ-плазмотрона 83
3.1. Разработка конструкции рабочей камеры СВЧ-плазмотрона 83
3.2. Расчет устройства связи рабочей камеры с волноводом 86
3.3. Настройка и экспериментальное исследование ЭДХ рабочей камеры СВЧ-плазмотрона 93
3.4. Разработка конструкции СВЧ-плазмотрона 99
3.5. Система СВЧ-питания 103
Глава 4. Экспериментальное исследование работы СВЧ-плазмотрона 111
4.1. Наладка и экспериментальное исследование работы СВЧ-плазмотрона 111
4.2. Исследование энергетических характеристик СВЧ-плазмотрона 116
4.3. Исследование работы СВЧ-плазмотрона на высоком уровне мощности 128
4.4. Исследование работы СВЧ-плазмотрона для асептической обработки поверхности 133
Заключение 138
Список использованных источников 140
- Устройство СВЧ-плазмотронов
- Сравнение резонаторных рабочих камер
- Настройка и экспериментальное исследование ЭДХ рабочей камеры СВЧ-плазмотрона
- Исследование энергетических характеристик СВЧ-плазмотрона
Введение к работе
Актуальность темы. В последние десятилетия вопросам использования электромагнитной энергии сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона для повышения энергосбережения в различных технологических процессах уделяется значительное внимание. СВЧ-энергия востребована не только в традиционных процессах сушки и спекания, но и для получения чистой плазмы. Особенности СВЧ-плазмы состоят в ее высокой чистоте, которую нельзя получить с помощью обычных плазмотронов, в более эффективном вводе энергии в СВЧ-плазму и в возможности получения плотной высокотемпературной плазмы в небольших объемах. Все это предопределяет перспективность исследования плазмы СВЧ-разряда и применения ее для решения новых прикладных задач. Плазма СВЧ-разряда может использоваться в следующих процессах: получение водорода; получение оксидов и нитридов высокочистых материалов; плазмохимическая переработка углей, включая их пиролиз и газификацию; энергоэффективный поджиг угольной пыли; осаждение алмазов и алмазоподобных пленок; осаждение покрытий на кремниевых подложках и травление поверхности; использование СВЧ-плазмы в космической энергетике, в частности для имитации вхождения спутников в атмосферу Земли; в источниках света на основе СВЧ-разряда; в спектроскопии.
С развитием СВЧ-техники и магнетронных генераторов появилось большое количество научных работ по созданию и применению СВЧ-плазмотронов, работающих на воздухе атмосферного давления с мощностью до 5 кВт на частоте 2450 МГц. Области использования таких плазмотронов: плазменные технологии газоочистки от ядовитых и инфекционных выбросов; сжигание твердых бытовых отходов;
модификация рабочих поверхностей деталей из сталей, сплавов и полупроводниковых материалов перед операциями азотирования, очистки или травления; получение синтез-газа (активация процессов горения и термохимической конверсии забалластированного газообразного и низкосортного твердого топлива); активация посадочного материала в сельском хозяйстве; получение нанооксидов металлов в результате сжигания в плазменной струе; в медицине и пищевой промышленности. Следует отметить, что перечень проблем, которые можно решать с помощью СВЧ-плазмы, непрерывно расширяется.
Для исследования возможности использования СВЧ-плазмы в прикладных задачах большой интерес представляют СВЧ-плазмотроны на основе магнетронных генераторов непрерывного режима, которые используются в бытовых микроволновых печах с СВЧ-мощностью не более 1кВт. Такие плазмотроны главным образом разрабатываются на основе резонаторных рабочих камер, в которых можно при минимальной мощности питания обеспечить высокое значение напряженности электрического поля для эффективного поджига и горения разряда. СВЧ-плазмотроны малой мощности удобны для проведения поисковых исследований, т.к. имеют преимущество в простоте конструкции, стоимости разработки и эксплуатации.
Таким образом, успехи в создании СВЧ-плазмотронов и в изучении свойств СВЧ-плазмы могут привести к появлению большого числа новых энергосберегающих технологий, позволяющих решить широкий круг современных проблем.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка СВЧ-плазмотрона атмосферного давления с мощностью питания 600 Вт для
проведения прикладных исследований. В рамках решения этой задачи рассматриваются следующие вопросы:
- актуальность использования СВЧ-плазмотронов для решения
прикладных задач;
создание эффективной рабочей камеры для СВЧ-плазмотрона;
расчет и оптимизация резонаторной рабочей камеры СВЧ-плазмотрона, работающего при СВЧ-мощности до 600 Вт;
конструирование, настройка и экспериментальное исследование электродинамических характеристик рабочей камеры СВЧ-плазмотрона;
экспериментальное исследование энергетических характеристик СВЧ-плазмотрона;
применение разработанного СВЧ-плазмотрона для асептических процессов в пищевой промышленности.
Научная новизна.
Показана возможность создания СВЧ-плазмотронов атмосферного давления малой мощности питания с использованием штыревых структур.
Предложена методика комплексного расчета и разработки СВЧ-плазмотрона (резонаторной рабочей камеры и системы питания).
Предложен и обоснован метод экспериментального исследования энергетических характеристик СВЧ-плазмотрона.
Предложено использовать СВЧ-плазму для асептической обработки в пищевой промышленности.
Практическая ценность.
1. Разработан и изготовлен СВЧ-плазмотрон атмосферного давления с мощностью СВЧ-питания порядка 600 Вт.
2. Совместно с ГНУ ВНИИКОП проводятся работы по исследованию возможности использования плазмы СВЧ-разряда при атмосферном давлении в процессах асептической обработки различной упаковочной тары.
Основные результаты, выносимые на защиту.
Создание эффективного СВЧ-плазмотрона атмосферного давления при мощности СВЧ-питания порядка 600 Вт.
Методика комплексной разработки и расчета СВЧ-плазмотрона малой мощности.
Методика измерения и оценки энергетических характеристик СВЧ-плазмотрона. Результаты экспериментального исследования энергетических характеристик плазмотрона.
Результаты исследования применения СВЧ-плазмы для процессов бактерицидной обработки в пищевой промышленности.
Достоверность научных результатов обоснована всесторонними исследованиями с использованием теоретических методов и численного моделирования, а также проведением экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации отражены в двух опубликованных печатных работах в следующих реферируемых журналах: «Прикладная физика» и «Хранение и переработка сельхозсырья», а также были представлены на российских и международных конференциях и семинарах, в частности: - Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, Российская Федерация, 2012);
21-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Украина, 2011);
VI Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново, Российская Федерация, 2011);
Всероссийской (с международным участием) конференции «Физика низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск, Российская Федерация, 2011);
Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Иваново, Российская Федерация, 2011);
Ежегодных научных сессиях МИФИ (Москва, Российская Федерация, 2010,2011,2012);
Конференции-конкурсе молодых физиков (Москва, Российская Федерация, 2011,2012);
Международной конференции для молодежи «Актуальные проблемы электромагнитной обработки материалов» (Москва, Российская Федерация, 2010).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 70 наименований. Общий объем диссертации составляет 147 страниц, включая 53 рисунка и 17 таблиц.
Устройство СВЧ-плазмотронов
СВЧ-плазмотроны - это устройства, позволяющие вводить энергию сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний в газ и в результате СВЧ-разряда создавать плазму. Генератор плазмы должен обеспечивать плазму с заданными свойствами. Существует несколько подходов к классификации устройств для создания СВЧ-плазмы. Согласно одному из них [13], микроволновые плазмотроны можно разделить по степени отработанности на следующие группы: лабораторные плазмотроны мощностью 1-5 кВт; плазмотроны мощностью 20-50 кВт для стендовых плазменных установок; плазмотроны мощностью 100-500 кВт для аппаратурного оформления промышленных процессов. Микроволновые разряды, в зависимости от давления, разделяют на три группы: разряды низкого давления (до 1500 Па), которые по свойствам подобны тлеющим разрядам постоянного тока, исключая более высокую концентрацию электронов; разряды умеренного давления (до 30000 Па) с сильно неравновесной плазмой; разряды высокого давления (до 1 атм), которые подобны дуговым разрядам, за исключением более высокой температуры электронов.
Классификацию плазмотронов можно выполнить по принципам возбуждения и поддержания СВЧ-разряда [20]. Основным элементом СВЧ-плазмотрона является устройство, с помощью которого электромагнитная энергия вводится в разряд. Достоинства СВЧ-диапазона проявляются в том, что можно создать конструкции для получения плазмы с широким спектром параметров. Все конструкции устройств могут быть условно разделены на следующие группы: генераторы плазмы, основанные на передающих линиях СВЧ; генераторы плазмы на основе резонаторов СВЧ; генераторы плазмы на основе волн в плазме; генераторы плазмы на основе замедляющих структур; генераторы плазмы с распределенным вводом энергии в плазму; генераторы плазмы на волновых пучках; генераторы плазмы с электродными СВЧ системами; генераторы плазмы с инициированными СВЧ-разрядами; генераторы плазмы в СВЧ-системах с внешними магнитными полями; генераторы плазмы с применением комбинации полей СВЧ-диапазона и других частот.
Для разработки СВЧ-плазмотронов атмосферного давления используются, как правило, первые четыре группы. Одними из самых простых являются генераторы СВЧ-плазмы на основе линий передач СВЧ-энергии. В таких устройствах электромагнитная энергия подводится к газу с помощью волноводов разных сечений (рис. 1.1): прямоугольный волновод, П-образный волновод; Н-образный волновод, круглый волновод и коаксиальный волновод.
Плазмообразующий газ проходит через диэлектрические разрядные трубки, помещенные в районе максимума напряженности электрического поля. В качестве материала трубок используется кварцевое стекло или керамика с малым тангенсом угла диэлектрических потерь. Объем плазмы обычно не превышает 10 см и зависит от мощности и конструктивных особенностей плазмотронов. Для поджига и устойчивого горения СВЧ-разряда в плазмотроне атмосферного давления используются магнетронные генераторы с мощностью более 1 кВт.
Плазмотроны на основе СВЧ-резонаторов являются наиболее распространенным типом СВЧ-плазмотронов (рис. 1.2).
В резонаторах возможно эффективно поджечь и поддерживать разряд атмосферного давления при мощности СВЧ-питания менее 1 кВт. В таких плазмотронах плазма получается в диэлектрических трубках, помещенных в резонаторах разных конструкций: призматических, цилиндрических, тороидальных, открытых, резонаторах на основе радиальных линий. Диэлектрическая трубка помещается в максимуме напряженности электрического поля в резонаторе определенной формы и установленного вида колебаний. Диэлектрическая трубка охлаждается проходящим по ней плазмообразующим газом. Эффективность поджига разряда в резонаторных плазмотронах выше, чем в волноводных плазмотронах. Объем плазмы, образующейся в таких резонаторах при одинаковой мощности питания примерно такой же, как у волноводных плазмотронов.
В последнее время наметилась тенденция к созданию резонаторных плазмотронов с такими видами колебаний, в которых максимум электрического поля наблюдается у стенки резонатора. Это позволяет избавиться от диэлектрических трубок, усложняющих конструкцию плазмотрона.
Приборы первых двух групп относятся к так называемым генераторам плазмы с "локализованной разрядной зоной", плазма генерируется внутри передающей линии с газом в районе максимума напряженности электрического поля. Поэтому размеры разрядной зоны ограничены. Для получения разрядов большого объема применяют генераторы плазмы с использованием волн в плазме и с применением замедляющих структур.
В генераторах с поверхностными волнами энергия распространяется вдоль границ раздела двух сред и не излучается по нормали к ней. Такой границей может быть стенка разрядной трубки, а устройство, создающее поверхностную волну (сурфатрон), должно генерировать электромагнитную волну с вектором электрического поля, направленным вдоль трубки. Характерный признак поверхностной волны - экспоненциальный спад напряженности вдоль нормали к поверхности (в отличие от зависимости 1/г в обычных объемных волнах). Необходимая структура электрического поля создается в зазоре. Примеры таких устройств с разным вводом СВЧ-мощности показаны на рис. 1.3.
Для получения плазмы используются устройства нескольких типов. Изображенный на рис 1.3 а сурфатрон - представляет собой коаксиальную камеру, куда с помощью коаксиального ввода подается электромагнитная энергия. Длина камеры может изменяться с помощью короткозамыкающего поршня. Устройство обладает большой широкополосностью и позволяет получать плазму одного типа при изменении частоты от 1 МГц до 10 ГГц в разрядных трубках диаметром до 40 мм. При мощности 100-600 Вт длина столба плазмы в аргоне составляла до 40 см. Вариант волноводного сурфатрона показан на рис. 1.3в. Другой тип устройства - сурфагайд (рис 1.36) создан на основе прямоугольного волновода, в который через отверстие в широкой стенке введена разрядная трубка. Волновод нагружен на перемещаемый короткозамыкающии поршень. В отличие от предыдущего - это широкополосное устройство. После зажигания разряда перемещением поршня достигается наилучшее согласование, отвечающее максимальной длине зоны плазмы.
Другие устройства, работающие на поверхностных волнах СВЧ -диапазона, изображены на рис. 1.3г и 1.3д. Второе из них - устройство коаксиального типа, предназначено для создания протяженных столбов неравновесной холодной плазмы при атмосферном давлении (температура электронов около 10000 К, температура газа -1000 К, концентрация электронов 10 см"3) [23].
Генераторы СВЧ-плазмы на основе поверхностных волн могут быть выполнены на основе круглых, прямоугольных и коаксиальных волноводов. В таких приборах имеются подстроечные СВЧ-поршни. Генераторы СВЧ-плазмы на основе поверхностных волн, в отличие от преведущих групп, достаточно широкополосны. Разряд представляет собой столб плазмы в трубке, распространяющийся за пределы устройства на расстояние, превышающее 1 м. Таким образом, объем плазмы может быть существенно увеличен. Эти устройства работают при давлениях от пониженного до атмосферного.
Другим способом увеличения объема является использование замедляющих систем, в которых есть периодическая структура, замедляющая фазовую скорость электромагнитной волны. В качестве периодических структур применяются системы встречно-штыревого типа, типа диафрагмированного волновода, типа фильтра нижних частот, гребенчатые и спиральные замедляющие системы. Около такой структуры в большом объеме существует электрическое поле и в него помещается разрядная трубка (рис 1.4). Для эффективности и равномерности горения разряда создается распределенная система ввода СВЧ-мощности в замедляющую систему. СВЧ-плазма в больших объемах может получаться в системах с распределенным в пространстве вводом электромагнитной энергии (рис 1.5). Элементы связи настраиваются так, чтобы получить однородную плазму.
Сравнение резонаторных рабочих камер
Выполним сравнение электродинамических характеристик (ЭДХ) цилиндрических резонаторных рабочих камер с колебаниями типа Е0ц и Е0ю , которые часто используются для создания на их базе СВЧ-плазмотронов (рис. 2.2). Расчет резонаторов проведен аналитическим и численным методами. При расчете определяются основные электродинамические характеристики резонаторов: параметр напряженности электрического поля, частота и добротность. Параметр напряженности электрического поля запишется в виде:
В работе [6] разработан СВЧ-плазмотрон, выполненный на основе объемного цилиндрического резонатора с колебанием типа Е0ц питаемого магнетроном от бытовой СВЧ-печи мощностью 800 Вт на частоте 2450 МГц. Цилиндрический резонатор имеет размеры: радиус R=51,5 мм и длину L=148,0 мм.
Цилиндрический резонатор с типом колебаний Е0ц имеет три составляющие электромагнитного поля Er, Ez и Нф (2.9).
При коэффициенте технологического качества 0,5 добротность резонатора составит Q=10850.
Параметр напряженности электрического поля на оси данного резонатора около торцевой стенки достигает максимума и записывается:
В результате расчета по (2.13), для представленного в [6] резонатора, параметр напряженности составит =2 81,158 Ом /м.
Из (2.10) напряженность электрического поля цилиндрического резонатора с типом колебаний Е0ц составитЕ=8,28 кВ/см.
В результате численного моделирования этого резонатора с типом колебаний Eon с использованием пакета прикладных программ CST Microwave Studio, применяющего метод конечных элементов, получен параметр напряженности электрического поля на оси у торцевой стенки =268,994 0м"7м. Полученное численно значение близко к теоретически расчетному. На рис. 2.3 приведена рассчитанная зависимость параметра напряженности электрического поля на оси этого резонатора.
Рассмотрим цилиндрический резонатор с колебаниями Е0ю в качестве рабочей камеры действующего плазмотрона на частоте 2450 МГц (см. рис. 2.2). Резонансная частота такой рабочей камеры зависит только от его радиуса f0 = (с / 2я\ут / R). Возьмем цилиндрический резонатор с размерами R=46,7 мм и L=180 мм. При такой длине L объем рабочей камеры резонатора равен Vp=1233 см3, что соответствует объему резонатора с типом Бон-Резонатор с типом колебаний Е0ю имеет две составляющие электромагнитного поля Ez и Л9:
При коэффициенте технологического качества 0,5 добротность резонатора составит Q=13910.
В результате аналитического расчета для резонатора с представленными параметрами параметр напряженности электрического поля на оси составит ,z=217,659 Ом /м. Напряженность электрического поля цилиндрического резонатора с типом колебаний Е0ю составит Е=7,26 кВ/см.
В результате численного моделирования цилиндрического резонатора с типом волны Еою получен параметр напряженности электрического поля на оси порядка э2=209,059 Ом /м. Зависимость параметра напряженности электрического поля резонатора представлена на рис. 2.4.
Расчеты показывают, что при использовании цилиндрического резонатора с типом колебаний Е0ц максимальная напряженность поля будет только по краям, тогда как у цилиндрического резонатора с типом колебаний Еою напряженность максимальна вдоль всей оси. Таким образом, объем, где происходит поджиг и горение разряда, увеличен. Для значительного увеличения напряженности электрического поля в резонаторе с колебаниями Еою можно уменьшить длину резонатора согласно (2.15), что приводит к уменьшению его объема. При создании резонаторных рабочих камер для самостоятельного поджига разряда желательно использовать резонаторы с высокой напряженностью электрического поля.
Проведем расчет основных электродинамических характеристик резонаторной рабочей камеры для СВЧ-плазмотрона.
В качестве основы для штыревого резонатора рассмотрим цилиндрический резонатор с размерами R=30 мм и L=33,4 мм. Выполним аналитический расчет электродинамических характеристик цилиндрического резонатора на виде колебаний Е0ю, воспользовавшись [45].
Резонансная частота /0 = (с / 2я)(ум / R)=3&19 МГц значительно отличается от требуемой частоты 2450 МГц, поэтому требуется установка штыревой системы, которая позволит снизить частоту резонатора.
Собственная добротность цилиндрического Еою резонатора по (2.17) с учетом коэффициента технологического качества 0,5 составит Q=7400.
Параметр напряженности электрического поля на оси резонатора
Таким образом, при мощности СВЧ-питания 800 Вт напряженность электрического поля на оси резонатора составит 15,34 кВ/см. Выполним численное моделирование цилиндрического Еою резонатора с использованием пакета прикладных программ. При проведении расчетов создана модель цилиндрического резонатора из алюминия с указанными выше размерами. В результате получены следующие основные параметры: резонансная частота на Е0ю виде колебаний составила f=3 824,3 МГц; собственная добротность резонатора Q=11651; параметр напряженности электрического поля на оси =607,731 Ом /м (рис. 2.5).
Значения параметров напряженности электрического поля на оси, вычисленные аналитически и численно, близко совпадают. Объем такого резонатора составит Vp=94,4 см3. Параметр напряженности у резонатора Е0ю с малым объемом значительно выше, чем у резонатора Еою с большим объемом. Как показано в [46], применение штыревых структур в цилиндрических резонаторах с колебаниями Е0ю позволит значительно поднять параметр напряженности электрического поля и уменьшить размеры резонатора.
При сравнении численно полученных результатов с аналитическими расчетами видно, что они в пределах погрешности расчета совпадают. Метод расчета с использованием пакета прикладных программ CST Microwave Studio, использующего метод конечных элементов, пригоден для точных расчетов резонаторов и может применяться для расчета более сложных резонансных систем.
Таким образом, при сравнении различных резонаторов видно, что наиболее предпочтительным вариантом является резонатор с типом колебаний Еою, в котором применение штыревых структур даст возможность повысить напряженность электрического поля при требуемой рабочей частоте.
Настройка и экспериментальное исследование ЭДХ рабочей камеры СВЧ-плазмотрона
Экспериментальные исследования характеристик изготовленной рабочей камеры и ее настройка проводились на штатной измерительной установке по методу четырехполюсника и с использованием панорамного измерителя КСВН. Функциональная схема установки, реализующая метод четырехполюсника, приведена на рис. 3.6. Резонатор подключался к установке с использованием двух устройств связи. Первое - индуктивное отверстие связи с прямоугольным волноводом сечением 72x20 мм, расположенное на цилиндрической поверхности резонатора у торцевой стенки. Второе - емкостной зонд в виде штыревой антенны, расположенной в районе высоких значений напряженности электрического поля. Глубина погружения зонда в резонатор не превышала 1,5 мм, что соответствует большой недосвязи.
Данная установка дает возможность исследовать ЭДХ изготовленной рабочей камеры. В качестве источника СВЧ-сигнала здесь использовался генератор Г4-79 с рабочим диапазоном частот 1,78-2,56 ГГц, кратковременной нестабильностью частоты 5fr/fr 10"6 и выходной мощностыо Рг 60 мВт. Электронно-счетный частотомер 43-34А с переносчиком частоты Я34-51 обеспечивал точность измерения частот Sf,,/f., 5-Ю"7 при мощности входного сигнала 50 мкВт. Волноводная измерительная линия Р1-7 (72x34 мм) позволяла измерять КСВН с погрешностью не более ± 6% и координату минимума стоячей волны с погрешностью /1Z 0,15 мм. Ферритовый вентиль 0,5x20 дБ предотвращал затягивания частоты измерительного генератора при выполнении измерительных манипуляций, а аттенюатор использовался для установки нужного уровня сигнала на микроамперметре измерительной линии. Сигнал-отклик от резонатора со штырем исследовался на экране анализатора спектра С4-27, который обеспечивает высоту пика сигнала 100 мм без его заметного дрожания при входной мощности 5 мкВт. Высокая чувствительность анализатора спектра позволяет установить переходное ослабление через резонатор 40 дБ, что соответствует измерению собственной добротности по методу четырехполюсника с относительной погрешностью: Q„/Qo = (1+10"A/20)" = 0,990. В нашем случае при симметричной проходной связи с резонатором переходное затухание: достигает величины 40 дБ при ZBX = 0,005, что соответствует минимальной ширине магнитного окна связи с резонатором и наименьшей глубине погружения емкостного зонда.
Погрешность измерения резонансной частоты в описанной установке определяется в основном ошибкой положения сигнала-отклика на экране С4-27 относительно амплитудного значения Р0, так как ошибка из-за нестабильности генератора и частотомера пренебрежимо мала по сравнению с первой ошибкой. Таким образом: и целесообразно принять ЛР0 2 мм и Р0 = 100 мм. Тогда, согласно (3.8) 8f0/fo 0,07/QH или 6f0/fo 5-Ю" при Q„ = 1,5-104. Аналогично определяется погрешность измерения добротности резонатора по уровню половинной мощности выходного сигнала: где АРо,5 - ошибка оператора при установлении уровня половинной мощности на экране С4-27. При реальном АР0,5/Ро.5 2,5-10"2 пофешность bQJQu 5 %. Следовательно, можно сделать вывод, что качество использованной экспериментальной установки обеспечивает получение результатов, пригодных для тонкой настройки рабочих камер СВЧ-плазмотронов.
Измерения и подстройка резонаторной рабочей камеры начиналась с пустого резонатора (без кварцевой трубки) с малым Ксв с переходом при помощи описанной выше установки. Измерения проводились в масштабе по мощности на анализаторе спектра. Начальное значение ширины окна связи прямоугольного волновода с резонатором составило h = 7 мм. При начальной ширине окна связи резонансная частота составила fp = 2514,21 МГц. Далее измерялось влияние кварцевой трубки на резонансную частоту устройства. В резонаторную рабочую камеру монтировалась кварцевая трубка. После монтажа кварцевой трубки резонансная частота составила fp = 2455,03 МГц. Измеренное значение частоты отличается от требуемой 2450 МГц, и подстройка частоты осуществляется изменением длины вставки, начальное значение которой составляет 1 = 17,4 мм. Стачивая вставку и проводя изхмерения, была получена резонансная частота fp = 2443,41 МГц при длине штыря 1 = 16,8 мм для резонатора с трубкой, что соответствует требуемой величине резонансной частоты fp = 2450 ± 5МГц. Результаты измерения резонансной частоты и добротности резонаторной рабочей камеры с кварцевой трубкой и без, при различной ширине окна связи с прямоугольным волноводом сечением 72x20 мм представлены в таблице 3.7.
По итогам исследований измеренная собственная добротность резонатора составила порядка 3300, что согласуется с расчетными данными при коэффициенте технологического качества 0,5.
Одновременно с измерением и подстройкой резонансной частоты при помощи панорамного измерителя КСВН Р2-86 производилось измерение и настройка окна связи резонатора с волноводиым трактом до получения Ксв не более 6. Измерительная линия, представленная в схеме на рис. 3.6, не используется. Для подключения панорамного измерителя КСВН использовался прецизионный коаксиально-волноводный переход с 50 Ом на 90x45 мм и волноводныи переход с 90x45 мм на 72x34 мм. Настройка осуществляется изменением ширины окна связи и в конечном результате при Ксв = 4,65 составила h = 37 мм для резонатора с кварцевой трубкой. Результаты измерения Ксв при различной ширине окна связи резонаторной рабочей камеры с кварцевой трубкой и без представлены в таблице 3.8.
По результатам измерений коэффициента связи на измерителе Р2-86 построен график зависимости коэффициента связи в зависимости от ширины отверстия связи (рис. 3.7). На графике также отображены теоретические расчеты (данные таблиц 3.1-3.3) и с помощью численных методов (данные таблиц 3.4-3.6).
Исследование энергетических характеристик СВЧ-плазмотрона
Проведены исследования энергетических характеристик разработанного СВЧ-плазмотрона. Под энергетическими характеристиками понимается, какая часть СВЧ-энергии преобразовывается в тепловую энергию плазменного факела. Анализ работ, посвященных созданию СВЧ-плазмотроиов атмосферного давления [6-10,12], показал, что в них отсутствуют такие измерения. Исследование этих характеристик необходимо для оценки энергетической эффективности СВЧ-плазмотрона, т.е. какая часть СВЧ-энергии переходит в другие виды энергии. При исследовании энергетических характеристик плазмотрона измеряется поле температур воздушно-плазменной струи, доля УФ-излучения от плазменной струи и тепловая мощность плазменного факела.
Выполнены измерения поля температуры воздушно-плазменной струи. Измерялась температура, до которой воздушная плазменная среда может нагреть малоинерционную термопару [43]. Измерения проводились с использованием набора термопар и мультимеров - АРРА-106, внесенного в Государственный реестр средств измерений под номером № 21501-07 и АРРА-107 N - под номером № 20085-11.
Для измерения температуры нагрева использовалась хромель-алюмелевые термопары К-типа, с предельной температурой измерения до 1300 С. Погрешность измерений таких термопар составила ± (ОД % + 3 С) и±(1,0% + 3С).
Измерения выполнены по следующей методике. Съемная термопара (рис. 4.4) крепилась к стойке с нанесенными делениями, которые позволяли регулировать глубину ее погружения в факел плазмы и устанавливать высоту от крышки плазмотрона.
Измерения проводились при непрерывном режиме работы плазмотрона на уровне СВЧ-мощности 600 Вт по центральной оси плазменного факела от уровня выхода плазмы из плазмотрона и до расстояния 35 мм при различном расходе плазмообразующего газа (воздуха). Также выполнены измерения температуры на расстоянии 3,5 мм от оси. Шаг измерения по оси плазмотрона составил 5 мм. На рис. 4.5 представлена фотография установки в процессе измерений.
На рис. 4.6 представлены результаты проведенных измерений в виде поля температуры воздушной плазменной струи СВЧ-плазмотрона при различных расходах воздуха. При минимальном расходе газа 1,3 л/с температура на оси у выхода плазменного факела составила 1100 С, а при увеличении расхода до 2,7 л/с, она падала до 200 С. С увеличением расстояния от выхода плазмотрона температура также нелинейно падала. Подобная зависимость наблюдается на расстоянии 3,5 мм от оси плазмотрона. Таким образом, температурные характеристики плазменного факела сильно зависят от расхода плазмообразующего газа.
Проведены исследования излучательной способности факела СВЧ-плазмотрона в УФ-диапазоне [43]. Целью исследований являлось изучение характеристик излучательной способности факела в УФ-диапазоне для бактерицидной обработки и безопасности работы обслуживающего персонала. Измерения выполнены с помощью УФ-радиометра ТКА-ПКМ-12, внесенного в Государственный реестр средств измерений под номером № 24248-04.
Измерения проводились в темном помещении, при зашторенных окнах и выключенном искусственном свете. Контроль УФ-излучения осуществлялся в длинноволновом А (315-400 нм), средневолновом В (280-315 нм) и коротковолновом С (200-280 нм) областях. УФ-радиометр измеряет энергетическую освещенность в диапазоне от 1,0 мВт/м2 до 60000 мВт/м2. Фотометрическая головка располагалась на расстоянии в 20 см от плазменного факела. Схема расположений фотометрической головки приведена на рис. 4.7. Измерения выполнены при расположении датчика непосредственно по оси факела (рис. 4.7, точка 1), смещаемой по радиусу 20 см от выхода плазмотрона при угле а от 0 до 90. Контролировалось излучение сбоку от плазменного факела (рис. 4.7, точка 3). Каждое измерение проводилось дважды, при различных положениях детекторных головок (при повторном измерении фотометрическая головка поворачивалась на 90), а полученные результаты усреднялись.
Результаты измерения энергетической освещенности над факелом плазмотрона (рис. 4.7, точка 1) при различных расходах воздуха занесены в таблицу 4.1. В экспериментах наблюдалось уменьшение энергетической освещенности при увеличении угла а. Расстояние в 20 см, на котором размещена фотометрическая головка, выбрано из соображений ее безопасности от температурного влияния СВЧ-плазмы. Максимальные значения энергетической освещенности достигались непосредственно над факелом плазмотрона. Измерения в точке 3 показали полное отсутствие УФ-излучения.
Результаты исследований показывают, что плазменный факел не является непосредственным источником УФ-излучения, т.к. УФ фиксируется только при измерении непосредственно над пламенем. При отклонении датчика на угол а 25 уровень УФ-излучения близок к нулю. Это говорит о том, что источником УФ-излучения является только СВЧ-разряд в резонаторе и УФ-излучение выходит непосредственно из отверстия вывода плазменного факела. При приближении фотометрического датчика к плазменному факелу значения энергетической освещенности сильно возрастают.
Сравним полученные результаты с предельно допустимыми уровнями, указанными в санитарных нормах [65]. Допустимая интенсивность облучения работающих при наличии незащищенных участков поверхности кожи не более 0,2 м и периода облучения до 5 мин, длительности пауз между ними не менее 30 мин и общей продолжительности воздействия за смену до 60 мин - не должна превышать: 50000 мВт/м2 - для области УФ-А, 50 мВт/м2 - для области УФ-В и I мВт/м2 - для области УФ-С. Измеренное максимальное значение в области УФ-А составило 8 мВт/м , что значительно меньше установленной верхней границы безопасности, максимум в области УФ-В 8,5 мВт/м также укладывается в норму, а вот максимум в области УФ-С, равный 19 мВт/м , значительно превышает норму в направлении выхода плазмы. Из этого следует, что при облучении на расстоянии менее 5 см будет осуществляться бактерицидное воздействие УФ-излучения в С-диапазоне на облучаемый объект.
Таким образом, результаты измерений показывают, что согласно санитарным нормам СВЧ-плазмотрон безопасен для обслуживающего персонала по УФ-излучению.
Выполним измерение тепловой мощности плазменного факела. Для этого измерения используется тепловая калориметрическая нагрузка, которая позволяет перевести часть тепла от горячей воздушно-плазменной струи в нагрев воды. Однако при расходе воздуха более 1 л/с очень трудно создать нагрузку, в которой может поглотиться всё тепло плазменного факела, поэтому для увеличения точности измерений используется метод сравнения.
В методе сравнения применяется электрический аналог плазменной струи, нагревающей воздух в стационарном режиме с известной мощностью. Нагретый воздух с установленным расходом поступает в нагрузку. В качестве аналога для сравнения используется нагревательный элемент, энергия с которого в стационарном режиме снимается струей воздуха, аналогичной струе плазмотрона. Согласно [50] относительная погрешность измерения тепловой мощности при использовании метода сравнения уменьшится и составит не более 8%.
Для измерений тепловой мощности сконструирована водоохлаждаемая нагрузка. Все тепло не может передаться в нагрузку, поэтому необходимо выполнить калибровку нагрузки с помощью аналога. Нагрузка представляет собой медную трубку радиусом 6 мм и толщиной стенки 1 мм свернутую в спираль, которая образует 14 колец общим объемом V=9,89 см3. Спираль вставлена в медный цилиндр радиусом 18 мм с крышкой толщиной 1 мм и высотой 90 мм. Этот цилиндр обернут в термоизолирующий материал, представляющий собой лист пенополиэтилена, покрытый тонкой металлической пленкой. Эта конструкция (рис. 4.8) вставлена во внешний цилиндр высотой 134 мм и радиусом 36 мм, также сделанный из листовой меди толщиной 1 мм и покрытый термоизолирующим материалом с тонкой металлической пленкой.
