ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАЗРЯДА В ИНДУКТИВНО-СВЯЗАННОЙ ПЛАЗМЕ
И.И. Коротких, Ю.И. Малахов, Н.М. Скорнякова
Национальный исследовательский университет (Московский энергетический институт), Россия
E-mail: korotkikhii@mail.ru
Содержание
Аннотация
Представлены результаты регистрации начальной стадии формирования разряда в индуктивно-связанной плазме методом высокоскоростной цифровой видеосъемки. Исследовались процессы предварительного вспомогательного пробоя в индукторе и последующего формирования факела в среде аргона при давлении, близком к атмосферному. Получена информация о временной эволюции геометрических размеров плазменного факела и изменения его как интегральной интенсивности излучения, так и в отдельных спектральных линиях.
Ключевые слова: цифровая видеосъемка, индуктивно-связанная плазма, пространственно-временное распределение излучения, визуализация процесса
1. Введение
В спектроскопии при решении различных прикладных задач широко используются газоразрядные источники излучения. Обычно их подразделяют на источники для ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной области. Перечисленные источники имеют не только различные спектральные и энергетические характеристики, но и различные конструктивное исполнение и способы получения плазмы. Применяются дуговой, тлеющий, искровой, высокочастотный безэлектродный разряды в изолированном объёме, разряд в полом катоде. Имеется опыт использования дуговых плазмотронов как источников излучения [1]. В зависимости от режимов работы источников питания и конструкции плазмотронов температура плазмы может составлять 6000 – 15000 К. Особый интерес для прикладной спектроскопии представляют плазмотроны, в которых создаётся индуктивно–связанная плазма (ИСП). Метод получения такой плазмы известен достаточно давно. Современная элементная база электроники обеспечивает создание малогабаритных источников ИСП с выходной мощностью до 2000 ВА.
С целью выявления возможностей использования ИСП в спектрофотометрии, а также при снятии характеристик фотоэлектронных устройств (фотоумножителей и фотоэлементов), особенно в ультрафиолетовом диапазоне, проведена серия экспериментов, в которых исследовались характеристики лабораторного стенда для изучения процессов в индукционной плазме. Представлены первые результаты изучения начальной стадии пробоя и последующего формирования факела ИСП.
2. Методика исследования
Индуктивно-связанная плазма создавалась в индукторе в среде аргона при давлении газа 0,12 МПа. Для зажигания разряда необходима предварительная ионизация рабочего газа. С этой целью использовалась катушка Теслы. Питание индуктора осуществлялось от генератора, рабочая частота которого составляла 27,12 МГц. Данная величина может быть изменена для оптимизации параметров зажигания разряда. Схематично узел формирования ИСП представлен на рис.1.
Рис.1. Структурная схема узла формирования индуктивно-связанной плазмы
Индуктор выполнен из медной трубки, защита индуктора от взаимодействия с плазмой обеспечивается внешней кварцевой трубкой. Для уменьшения тепловых нагрузок предусмотрена возможность прокачки воды через индуктор. Плазмообразующий газ, аргон, тангенциально подавался внутрь кварцевой трубки, расход газа 10 л/мин.
Для исследования стадии формирования индуктивно-связанной плазмы использовался метод покадровой регистрации с помощью высокоскоростной цифровой видеокамеры. Функциональная схема экспериментальной установки представлена на рис.2.
Рис.2. Схема экспериментальной установки
Для высокоскоростной регистрации стадий формирования плазмы использовались цифровая видеокамера CMOS Fastec HiSpec-1 и объектив с фокусным расстоянием F = 50 мм. Видеокамера Fastec HiSpec-1 позволяет увеличивать частоту кадров до 112,183 кадров в секунду с одновременным уменьшением пространственного разрешения. Максимальное разрешение камеры составляет 1280×1024 пикселя на дюйм, при этом возможна скорость регистрации до 506 кадров в секунду. В ходе исследований применялся именно этот режим. Время экспозиции составляло 1970 мкс. Спектральный диапазон чувствительности – от 400 до 900 нм. Глубина цвета – 10 бит.
Оптическая ось высокоскоростной камеры ориентирована по
нормали к геометрической оси индуктора. Перед съемкой определяется масштабный
коэффициент переноса изображения факела плазмотрона на плоскость матрицы. Далее
производилась регистрация изображений исследуемого объекта (плазменной струи)
на протяжении
2 – 3 с.
Метод высокоскоростной регистрации позволил проследить процессы, происходящие при зарождении плазменного факела и его дальнейшее развитие. На рис.3 представлена последовательность кадров, начиная от подачи высоковольтного поджигающего импульса и заканчивая установлением факела. На рис. 4 представлена видеопоследовательность зарождения плазменного факела.
|
t1=5 мс |
t2=10 мс |
|
t3=15 мс |
t4=20 мс |
|
t5=25 мс |
t6=30 мс |
|
t7=35 мс |
t8=40 мс |
|
t9=45 мс |
t10=50 мс |
|
t11=55 мс |
t12=60 мс |
|
t13=65 мс |
|
Рис. 3. Стадии развития разряда
Рис. 4. Видеопоследовательность зарождения плазменного факела
За время t1 = 5 мс после начала съемки возникает пробой в газе, появляются линейные структуры, при t2 = 10 мс они преобразуются в тороидальные, далее деформируюся и за время t3 = 20 мс преобразуются в объемные сгустки, за время t13 = 65 мс формируется устойчивый факел. Начальный пробой происходит вдоль внутренней поверхности цилиндрической кварцевой трубки.
После того, как сформировался факел, была продолжена съёмка с целью проверки стабильности положения факела и интенсивности его излучения. Съемка производилась с различными интерференционными светофильтрами с узкой спектральной полосой пропускания. При применении фильтров видимого диапазона длин волн видеозаписи практически одинаковы. Для примера на рис. 5 представлена видеопоследовательность зарегистрированного процесса горения плазменного факела с зеленым светофильтром (l = 582 нм).
Рис. 5. Визуализация плазменного факела в динамике с зеленым светофильтром (l = 582 нм)
Установлено, что флуктуации интенсивности излучения довольно значительны, что иллюстрирует приводимый ниже рис. 6. На данном рисунке приведено распределение интенсивности излучения по строке, соответствующей наиболее яркой части пламени, показаны наибольшее и наименьшее значения интенсивностей.
Рис. 6. Распределения интенсивности излучения по координате факела в различные моменты времени (разница – 2 мс)
Данный график показывает, что изменение интенсивности составляет 30%. Подобный уровень флуктуации не допустим в спектрофотометрии и для испытаний фотоприемников, возникает необходимость обеспечения стабильной работы источника индуктивно-связанной плазмы.
Также была произведена съемка со светофильтром ближнего ультрафиолета. Результат представлен на рис. 7.
Рис. 7. Визуализация плазменного факела в динамике со светофильтром ближнего ультрафиолета
При внимательном рассмотрении видеозаписи на рис. 7 можно заметить, что в отличие от регистрации со светофильтрами видимой области проявляется вертикальная линия свечения над факелом. Ранее данное явление не визуализировалось и требует дальнейшего изучения.
3. Заключение
Представлены результаты регистрации начальной стадии формирования разряда в индуктивно-связанной плазме методом высокоскоростной цифровой видеосъемки. Исследовался процесс предварительного вспомогательного пробоя в индукторе и последующего формирования факела в среде аргона при давлении, близком к атмосферному. Получена информация о временной эволюции геометрических размеров плазменного факела и изменения его как интегральной интенсивности излучения, так и в отдельных спектральных линиях.
Обнаружено новое явление наличия вертикальной линии свечения в ультрафиолетовой области. Данное явление планируется изучить более подробно с помощью солнечно-слепых регистраторов.
Благодарности
Работа выполнялась при поддержке Министерства образования и науки РФ (проект 3.8009.2017/БЧ).
Список литературы
1. Зайдель А. Н., Островская Г. В., Островский Ю. И. Техника и практика спектроскопии. 1972, Изд. 2-е, испр. и доп. 392 с.: ил.
2. Зайдель А. Н., Шрейдер Е.Я. Спектроскопия вакуумного ультрафиолета. Наука, 1967. 472 с., ил.
3. Описание камеры Fastec HiSpec-1 www.fastecimaging.com
HIGH-SPEED REGISTRATION OF DISCHARGE FORMATION IN INDUCTIVELY-COUPLED PLASMA
I. Korotkikh, Yu. Malakhov, N. Skornyakova
National Research University (Moscow Power Engineering Institute), Russian Federation;
E-mail: korotkikhii@mail.ru
Abstract
The results of recording the initial stage of discharge formation in inductively coupled plasma by the method of high-speed digital videotaping are presented. The processes of preliminary auxiliary breakdown in inductor and the subsequent formation of a torch in argon medium at the close to atmospheric pressure were investigated. Information on the temporal evolution of the geometric dimensions of the plasma torch and its variation as in integrated radiation intensity, and in individual spectral lines is received.
Keywords: digital videotaping, inductively coupled plasma, space-time distribution of radiation
References
1. Zajdel' A. N., Ostrovskaja G. V., Ostrovskij Ju. I. Tehnika i praktika spektroskopii [Technique and practice of spectroscopy]. 1972, 2 nd ed. 392 p.
2. Zajdel' A. N., Shrejder E.Ja. Spektroskopija vakuumnogo ul'trafioleta [Spectroscopy of vacuum ultraviolet]. Nauka, 1967. 472 p.
3. Description of the Fastec HiSpec-1 camera www.fastecimaging.com