3-5. Электрические характеристики развивающегося одноэлектродного ВЧ разряда
При анализе ВЧ разряда как элемента электрической цепи изучаются его чисто электротехнические параметры — напряжение, ток, электрическое сопротивление и емкость, выделяющаяся в разряде активная мощность и т.д. Методы и средства электрических измерений характеристик стационарных ВЧ разрядов весьма разнообразны [59]. Проблемы, связанные с измерением характеристик развивающегося ВЧ разряда, во многом сходны с общими проблемами импульсных измерений при высоком напряжении.
При измерении напряжения определенное предпочтение приходится отдавать осциллографическим методам, дающим возможность непрерывно следить за формой импульса ВЧ напряжения. Осциллограф в сочетании с емкостным делителем напряжения калибруется предварительно с помощью электростатического или диодного пикового вольтметра.
Важнейшей характеристикой разряда является активная мощность, выделяющаяся в разряде. Такие известные методы измерения мощности как калориметрический, болометрический и термопарный в случае развивающегося ВЧ разряда малопригодны. Более удачно эта задача решается, если для измерения электрических характеристик разряда применять мост Шеринга [42, 60].
Рис. 3-19. Мост Шеринга (а) и его эквивалентная электрическая схема (б)
На рис. 3-19 изображены разновидность моста Шеринга (а), примененного для исследования развивающегося ВЧ разряда (f=10 и 20 МГц) [61], и ее эквивалентная электрическая схема (б). Разряд возбуждается на электроде 1. Другой электрод образуют стенки окружающей электрод камеры 2 (40x40x70 см). Такая конструкция обеспечивает замыкание всех линий тока на стенки камеры 2. Камера 2 заключена в экранирующий заземленный кожух 3, с которым она соединена через резистор R3=5 Ом. Этот резистор должен быть рассчитан на сравнительно большие токи, поэтому он собран из 15 параллельно включенных ВЧ резисторов типа С2-10-0,5-75 Ом ±1%. Паразитная электрическая емкость между разрядной камерой 2 и экраном 3, шунтирующая резистор R3, учтена в эквивалентной схеме конденсатором С3=400 пФ. Обе камеры снабжены окнами наблюдения (на рис. 3-19,а они обозначены пунктиром), забранными густой медной сеткой.
Параметры R3, С3 и полное сопротивление разряда Z образуют одну ветвь моста. Другая ветвь образуется из активного резистора R2=55,3 Ом и подстраиваемых калиброванных конденсаторов С1=(0,2—0,75) пФ и С2=(24—110) пФ. Последние используются для балансировки моста. Конструктивно второе плечо моста выполнено аналогично первому.
В измерительной диагонали моста удобно пользоваться двухканальным широкополосным электронно-лучевым осциллоскопом, работающим в режиме вычитания сигналов. Применение осциллоскопа в качестве нуль-индикатора особенно рационально, когда с помощью моста измеряется зависимость тока разряда от времени. В описываемом случае использовался осциллоскоп со следующими параметрами сигнального тракта: полоса пропускания — 100 МГц, максимальная чувствительность — 50 мВ/дел; входное сопротивление — 10 МОм, входная емкость — 14 пФ. Входные сопротивление и емкость учтены в значениях
.
Описанная мостовая схема позволяет определить следующие характеристики разряда.
- Ток разряда. Для регистрации тока разряда балансируют мост в отсутствие разряда, т.е. при пониженном высокочастотном напряжении Uf. При возникновении разряда мост выходит из баланса и осциллоскоп регистрирует напряжение, обусловленное протеканием тока разряда через R3 и С3. Амплитудное значение тока
- Полное сопротивление разряда Ζ. Для его определения необходимо добиться баланса моста в заданный момент времени при наличии разряда. Вычисления основаны на замещении ВЧ разряда эквивалентной схемой, состоящей либо из последовательно соединенных резистора R5 и конденсатора Сг (рис. 3.20,а) либо из параллельно соединенных резистора Rp и конденсатора Ср (рис. 3-20,б). В последнем случае из условия баланса моста следует:
- Мощность, выделяющаяся в разрядном промежутке. Мощность определяется из соотношения
где U3 — амплитудное значение напряжения на в момент баланса.
Погрешность измерения мощности в работе [61] определялась в основном погрешностью измерения напряжений и наличием высших гармоник в токе разряда, и оценивалась как ΔΡ= ±(0,3Р+30) Вт.
Описанная мостовая схема требует калибровки на каждой рабочей частоте в отдельности. Метрологические вопросы, а также результаты измерений наиболее подробно обсуждаются в работах [55, 61]. Представим здесь основные результаты, полученные на описанной установке при исследовании неразветвленного прямолинейно развивающегося ВЧ разряда. В такой форме остриевой ВЧ разряд развивается с большой вероятностью, когда на электроды кроме ВЧ напряжения подано постоянное напряжение от нескольких единиц до десятков киловольт. При этом ВЧ напряжение на электродах в момент возникновения разряда может иметь значение (4+6) кВ (в зависимости от частоты и формы острия) и в дальнейшем должно расти по мере удлинения разрядного канала [54]. На рис. 3-21 представлены фотографии, соответствующие разным фазам (временам) развития такого разряда при дополнительном постоянном напряжении U=20 кВ и частоте f= 20 МГц. Там же приведена осциллограмма ВЧ напряжения. Регистрация электрических характеристик разрядного канала проводилась при одном дополнительном, упрощающем обработку и интерпретацию результатов условии — при приблизительно постоянной скорости удлинения канала. Это достигалось регулировкой формы импульсов ВЧ напряжения. Поддержание скорости удлинения канала неизменной позволяло легко переходить от двухэлементной RС-схемы к многоэлементной RС-схеме замещения разряда (рис. 3-20,в) и таким образом вычислять погонные параметры разрядного канала [61].
Рис. 3-21. Фотографии неразветвленного ВЧ разряда в разных фазах его развития (а) и осциллограмма ВЧ напряжения (б); f=20 МГц, U=20 кВ
Рис. 3-22. Изменение мощности Р (1), тока Iт (2). длины разрядного канала l (3) и ВЧ напряжения Um (4) во времени; v=46 м/с — средняя скорость распространения разряда, f=20МГц
Рис. 3-23. Зависимость мощности (а), выделяющейся в разряде. ВЧ тока (б), эквивалентных сопротивления (в) и емкости (г) каната разряда от длины канала при разных скоростях и распространения разряда; f=20 МГц
На рис. 3-22 представлены зависимость мощности Р, тока I и длины разрядного канала l, а также приложенного напряжения Uf времени при f=20 МГц. В качестве параметра принята средняя скорость v распространения разряда. На рис. 3-23 приведены выделяющаяся в разряде мощность (а), ВЧ ток (б), эквивалентное сопротивление (в) и емкость (г) канала в зависимости от длины канала l для разных скоростей v распространения разряда. Из рис. 3-23 видно, что зависимость этих параметров от скорости υ невелика. Это обстоятельство позволяет использовать приведенные графики для грубой оценки, например, мощности и тока по длине канала в других подобных разрядах, не прибегая к более сложным измерениям.
Измерения показывают, что сдвиг фазы φ можно в пределах погрешности считать независимым как от длины канала, так и от скорости его удлинения: φ=65.
На рис. 3-23,0 и 3-23,6 нанесены также кривые, описывающие зависимость мощности Р и тока / от длины пламени в случае стационарного ВЧ канала.
Для демонстрации частотной зависимости на рис. 3-24 представлены основные электрические характеристики разряда в функции длины разрядного канала при частоте 10 МГц и скорости удлинения канала υ=56 м/с. Погонные параметры канала (dR/dl, dC/dl, dP/dl) для этого же разряда, полученные на основании многоэлементной RС-схемы замещения и равномерно движущейся координатной системы, приведены на рис. 3-25. Здесь начало координатной системы совмещено с вершиной канала.
