Электродинамика высокочастотных разрядов емкостного типа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ  
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
 
 
Ю.Ю. Луценко 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ  
РАЗРЯДОВ ЕМКОСТНОГО ТИПА 
 
 
Рекомендовано в качестве учебного пособия  
Редакционно-издательским советом 
Томского политехнического университета  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета  
2018 
 

УДК 537.5(075.8) 
ББК  22.313я73 
Л87 
 
Луценко Ю.Ю.  
Л87 
 
Электродинамика высокочастотных разрядов емкостного типа : учебное пособие / Ю.Ю. Луценко ; Томский политехнический 
университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2018. – 143 с. 
 
 
В пособии изложены особенности электродинамики высокочастотных 
разрядов емкостного типа, горящих при атмосферном давлении. Рассмотрена 
новая электродинамическая модель разряда, учитывающая отражение электромагнитной волны в конце канала разряда. Приведены экспериментальные 
данные по нелинейным электродинамическим эффектам в плазме разряда. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 14.03.02 
«Ядерная физика и технология». 
 

УДК 537.5(075.8) 
ББК 22.313я73 
 
 
 
 

 

Рецензенты 

Доктор физико-математических наук, профессор НИ ТГУ 
В.Г. Бутов 

Доктор технических наук 
ведущий научный сотрудник  
Института оптики атмосферы СО РАН 
В.А. Хан 
 
 
 
 
 
 
 
© ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2018 
© Луценко Ю.Ю., 2018 
© Оформление. Издательство Томского  
политехнического университета, 2018 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Подготовка бакалавров по специальности «Физика кинетических 
явлений» в соответствии с Государственным образовательным стандартом предполагает изучение студентами курса физики плазмы.  
Данные специалисты востребованы на таких крупных предприятиях, как Сибирский химический комбинат, Красноярский электрохимический завод, Новосибирский завод химконцентратов, где могут применяться во вспомогательных целях также и технологические процессы с 
использованием плазмы. Так, на Сибирском химическом комбинате запущены и успешно эксплуатируются два плазмохимических участка. 
Рассмотрим более подробно область подготовки специалистов, связанную с физикой плазмы. В настоящее время плазменные процессы 
играют значительную роль в науке и технике. Наиболее широкое применение нашли плазменные процессы, протекающие при пониженном 
давлении. Данные процессы используются, прежде всего, для нанесения 
различного рода покрытий, имеющих различное функциональное 
назначение. При нанесении упрочняющих покрытий на режущий инструмент срок его службы возрастает в 2 раза. Ионно-плазменные покрытия также наносятся для придания материалам антикоррозионных, 
теплозащитных, декоративных и определённых оптических свойств. 
Для нанесения ионно-плазменных покрытий разработан и выпускается промышленностью ряд установок, созданных на базе дугового и 
тлеющего разряда пониженного давления. 
Наряду с плазменными процессами низкого давления в промышленности находят применение плазмохимические процессы повышенного давления. Широкое использование на предприятиях находят процессы переработки водносолевых растворов металлов, в частности 
процессы высокотемпературной денитрации. Высокотемпературная 
денитрация используется для получения ультрадисперсных порошков 
оксида циркония для прессования изделий, работающих в областях 
высоких температур. На предприятиях Росатома высокотемпературная 
денитрация используется для получения порошков оксида урана. 
Для реализации плазменных процессов повышенного давления используются такие плазменные источники, как дуговой разряд, высокочастотный индукционный разряд, высокочастотный разряд емкостного 
типа. Высокочастотные разряды, в отличие от дугового разряда, генерируют плазму, не загрязнённую материалом электродов, что может играть существенную роль при проведении определённых технологических процессов. В свою очередь, из всего ряда высокочастотных разрядов можно выделить высокочастотный факельный разряд, изучаемый на 

3

 

кафедре технической физики Томского политехнического университета. 
Высокочастотный факельный разряд обладает рядом преимуществ перед высокочастотным индукционным разрядом. Он легко возбуждается 
в любых средах, включая водород, имеет большой объём разрядной 
плазмы при относительно малой величине подводимой мощности, легко 
реализуется конструктивно. 
Из вышеприведённого материала следует, что актуальные проблемы и научно-технические задачи по использованию газоразрядной 
плазмы могут решаться творчески работающими специалистами, владеющими современными методами научного поиска. Для подготовки 
специалистов такого уровня необходима соответствующая учебнометодическая литература.  
Заметим, что в изучаемый студентами курс физики плазмы входят 
такие разделы, как «Электрические разряды в газах» и «Генераторы 
низкотемпературной плазмы». Рассматриваемые в этих разделах дуговые и высокочастотные индукционные разряды хорошо изучены, существует весьма обширная литература, описывающая свойства данных 
разрядов. В то же время высокочастотные разряды емкостного типа мало исследованы, и имеющиеся по ним сведения разбросаны по различным статьям. 
Настоящее учебное пособие в некоторой степени устраняет пробел 
в рассматриваемой области учебно-методической литературы. 
В пособии изложены, прежде всего, материалы оригинальных разработок, выполненных на кафедре технической физики применительно 
к исследованию физических особенностей высокочастотных разрядов 
емкостного типа, возбуждаемых при атмосферном давлении. Особое 
внимание уделено электродинамике высокочастотного факельного 
разряда. 
Пособие состоит из шести глав. 
В первой главе рассмотрены физические характеристики высокочастотного факельного разряда. Показано, что использование существующей на настоящее время модели канала разряда в виде однородного 
цилиндра бесконечной длины приводит к существенным ошибкам при 
определении физических характеристик разряда. 
Во второй главе на основе модели факельного разряда в виде однородного проводящего цилиндра проведен анализ джоулевых потерь, 
возникающих в результате диссипации различных типов электромагнитных волн, способных распространяться в плазме разряда. Показано, 
что в широком диапазоне частот и мощностей, вкладываемых в разряд, 
доминирующей электромагнитной волной является ТМ (transversal 
magnetic – поперечно-магнитная) «основная» волна. Получено выраже
4

 

ние для волнового числа электромагнитной волны, распространяющейся вдоль канала разряда. Приведены результаты измерений амплитуднофазовых характеристик электромагнитного поля факельного разряда в 
ближней зоне его излучения. Показано, что интенсивность поля мало 
меняется в пределах зоны каналирования разряда. 
В третьей главе на основе анализа интеграла Кирхгофа–Гюйгенса, 
связывающего распределение токов в тонком линейном излучателе с создаваемым им электромагнитным полем, и на основе полученных экспериментальных данных рассчитано распределение высокочастотных 
токов в канале ВЧ факельного разряда. В свою очередь полученное распределение токов позволило впервые высказать предположение о наличии в канале ВЧ факельного разряда отраженной электромагнитной 
волны. 
Приведены результаты экспериментального определения величины 
волнового числа электромагнитной волны, поддерживающей горение 
факельного разряда в воздухе. Проведено экспериментальное определение волнового сопротивления факельного разряда. 
В четвёртой главе рассмотрены особенности электромагнитного 
поля высокочастотного емкостного разряда, горящего в воздухе и аргоне при атмосферном давлении. Показано, что так же, как и в случае 
факельного разряда, для емкостного разряда необходимо учитывать отражение электромагнитной волны в конце канала разряда.  
Рассмотрены особенности процесса горения емкостного разряда 
при его запылении диэлектрическими и проводящими материалами. 
В пятой главе анализируется процесс распространения различных 
частотных составляющих электромагнитного поля вдоль канала факельного разряда, горящего в воздухе, аргоне и гелии. На основе полученных экспериментальных результатов высказано предположение о 
наличии параметрического взаимодействия между внешним электромагнитным полем и собственными колебаниями плазмы разряда. 
В шестой главе рассмотрены особенности амплитудно-модулированной 
плазмы факельного разряда. Приведены данные по функции распределения электронов по энергиям в факельном разряде. Проанализирован процесс испарения капель водно-солевого раствора в плазмохимическом  
реакторе на базе факельного разряда. Рассмотрены различные конструкции факельных плазмотронов и приведён расчёт их характеристик. 
Учебное пособие может быть использовано студентами других 
специальностей университета, где изучаются плазменные процессы. 
 

5

 

Глава 1. ФИЗИКА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ФАКЕЛЬНОГО РАЗРЯДА 

1.1. Свойства и особенности высокочастотного факельного разряда 

Высокочастотный факельный (одноэлектродный) разряд (ВЧФР) 
представляет собой плазменный шнур (рис. 1.1), горящий с поверхности 
электрода, к которому приложено ВЧ-напряжение. ВЧФР может быть 
возбужден с любой точки поверхности не только проводника, но и диэлектрика. 

 

Рис. 1.1. Высокочастотный факельный разряд: 
1 – электрод; 2 – канал; 3 – диффузионная оболочка 

ВЧФР был открыт С.И. Зилитинкевичем в 1928 году [31] при исследовании работы ВЧ-генераторов. Заметим, что до 60-х годов проводились исследования одноэлектродных разрядов, имеющих мощность 
не более 200 Вт. 
Наиболее полные, на наш взгляд, исследования одноэлектродного 
разряда мощностью до 150…200 Вт, возбуждаемого синусоидальным 
ВЧ-напряжением, были проведены чешскими авторами [10, 30, 37–39]. 
При вышеуказанных величинах мощностей, вкладываемых в разряд, авторы работ [10, 32] выделили три режима его горения, для каждого из которых существует свой механизм протекания физических 
процессов: высокочастотный коронный разряд; высокочастотный факельный разряд; высокочастотный дуговой разряд. 

6

 

Высокочастотный коронный разряд представляет собой целый ряд 
искривленных плазменных каналов, выходящих из электрода в виде «короны», либо имеет вид одного канала с размытой, диффузной структурой. Высокочастотная корона наблюдается [10] при частотах   10 МГц 
или в случае больших частот ВЧ-напряжения – при усиленном охлаждении плазмы разряда. Для высокочастотной короны характерна  
высокая степень неравновесности и, соответственно, существенное различие между температурой электронов [34] Те = (6…7)  103 К и температурой тяжелых частиц [34] Т = (2…3)  103 К. Механизм горения высокочастотной короны объясняется на основе [35, 36] стримерной теории. 
Высокочастотный факельный разряд (рис. 1.1) имеет три структурных [10] элемента: приэлектродный слой 1, канал 2 и диффузионную 
оболочку 3. Электропитание разряда осуществляется от ВЧ-генератора 4. 
Горение ВЧФР наблюдается в широком частотном диапазоне, начиная с 
частоты   6 МГц и выше. Механизм горения ВЧФР обусловлен [10] 
процессами термической ионизации. 
Высокочастотная дуга представляет собой одноэлектродный разряд 
[32] при горении которого идет сильное испарение материала электрода. 
Вследствие этого при рассмотрении механизма горения высокочастотной 
дуги необходимо учитывать процессы на электроде, а также влияние 
присутствия газовой фазы материала электрода в плазме разряда. В случае охлаждения электрода высокочастотная дуга переходит в ВЧФР. 
Вышеуказанные три типа одноэлектродного ВЧ-разряда хорошо различаются лишь при малых мощностях высокочастотной энергии, подводимой 
к разряду, так как в этом случае регулирование степени неравновесности 
плазмы разряда легко осуществить либо простым изменением подводимой к 
разряду мощности, либо охлаждением плазмы разряда газовым потоком. 
При мощностях W  70 Вт в случае охлаждаемого электрода можно 
наблюдать, как правило, только ВЧФР. Поэтому при работе с достаточно мощными разрядами, используемыми в прикладных и исследовательских целях, возбуждаемыми при частоте   10 МГц, одноэлектродный разряд можно отождествить с ВЧФР. 
ВЧ факельный разряд с момента его открытия и до настоящего 
времени исследовался преимущественно в следующих направлениях: 
1) исследование влияния различных факторов (формы, материала 
электрода, рода плазмообразующего газа, величины подводимой мощности) на свойства ВЧФР [10, 30, 32–34, 37–42]; 
2) исследование характеристик плазмы ВЧФР (температуры тяжелых частиц, температуры и концентрации электронов, степени неравновесности плазмы разряда) [28, 30, 32–34, 48–50]; 

7

 

3) теоретические и экспериментальные исследования вопросов 
тепломассопереноса в плазме ВЧФР [5, 27, 28, 67]; 
4) исследование амплитудно-модулированной плазмы ВЧФР [13, 
61, 62]; 
5) изучение влияния внешних электрических полей на свойства и 
поведение ВЧФР [43–45, 58]; 
6) исследование вопроса согласования ВЧФР с ВЧ-генератором 
[36, 70]; 
7) исследование электрических характеристик ВЧФР (напряжение 
горения, полный ток, емкость системы «разряд–земля») [10, 49]. 
ВЧФР легко возбуждается в любой газовой среде (воздух, инертные газы, водород и т. д.) при давлениях 101… 5105 Па. Вид, форма, 
режимы горения ВЧФР освещены в работах [5, 10, 32–33]. 
Из экспериментальных исследований следует, что структура ВЧФР 
и его размеры определяются свойствами плазмообразующего газа, характером и уровнем вводимой в разряд мощности. При давлениях более 
3,3  104 Па свободный ВЧФР представляет собой плазменное образование с ярко выделенным тонким каналом и диффузионной оболочкой с 
радиусом в 3–10 раз большем радиуса канала (рис. 1.1). 
В табл. 1.1 и на рис. 1.2 и 1.3 представлены основные результаты 
экспериментальных исследований свойств и особенностей ВЧФР, горящего при атмосферном давлении.  

 
 

Рис. 1.2. Зависимость длины канала 
ВЧФР от радиуса разряда 
Рис. 1.3. Зависимость длины канала 
ВЧФР от частоты 

Достаточно много работ посвящено измерению температуры факельного разряда. В табл. 1.1 приведены значения температуры канала 
ВЧФР. Как видно из таблицы, газовая температура ВЧФР в значительной степени зависит от рода плазмообразующего газа и частоты питающего разряд электромагнитного поля. Газовая температура зависит 
также [33, 40] от мощности, вкладываемой в разряд и от ВЧ-частоты 
(рис. 1.4 и 1.5). 

8

150…1000 
– 
200…800 
750 
670 
800 
1020 
920 
– 
– 
– 
– 
– 
100 
500…600 
500…600 
– 
15…308 
30 
– 
20…200 
500…600 

Мощность, Р0, Вт 

Таблица 1.1

воздух 
воздух 
воздух 
воздух 
O2 
CO 
CO2 
воздух 
воздух 
аргон 
воздух 
аргон 
азот 
воздух 
гелий 
 
 
воздух 
воздух 
азот 
воздух 
воздух 
воздух 

Плазмообразующий газ 

0,75 
– 
40 
40 
37 
37 
37 
37 
37 
– 
– 
– 
– 
– 
26 
34 
34 
40 
8,7 
30 
30 
12…100 
6…20 

Частота, 
10–6, Гц 

1,2 
0,06…0,18 
– 
– 
0,15 
0,10 
0,14 
0,25 
1,17 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
0,24…0,34 
– 

Радиус канала 
ВЧФР, а 102, м 

– 
3,1…2,8
5,22 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
0,3…36,6
15…20 

Длина разряда, 
L 102, м 

– 
– 
– 
– 
0,82 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 

Проводимость, 
, см/м 

– 
– 
– 
3,5…3,9 
– 
– 
– 
4,2 
3,8 
1,4…2,0 
3,0…5,0 
1,4 
4,0 
3,8…4,2 
0,9 
– 
0,9 
3,5 
– 
3,8 
3,8…4,2 
3,3…4,3 
– 

Газовая  
температура, 
Тг 10–3, К  
(в канале) 

– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
6,0…7,0 
6,5 
– 
– 
– 
25 
7,8 
7,4 
7,0 
– 
– 
– 
– 
– 

Температура электронов (канала) 
Те 10–3, К 

– 
– 
0,8…1,6 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
1,24 
410–3…310–2
– 
– 
0,01…0,14 
– 

Ток в разряде, 
I, А 

– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
3,6…4,4
– 
– 
– 
– 

Напряжение 
разряда 
U  10–3 , В 

– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
400 
500 
12…13 
300…500 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
300…500 
– 
– 

Напряженность 
электрического 
поля, 
Е  10–2, В/м 

– 
– 
– 
– 
1,31012 
1,51012 
31011 
61012 
71011 
– 
– 
– 
– 
– 
1,21015…3,01015 
0,71014…1,91014 
3,21013…1,51014 
– 
– 
1011…1012 
51010…1011 
– 
– 

Концентрация 
электронов, 
nе 10–6, м–1 

[42] 
[41] 
[41] 
[40] 
[11] 
[11] 
[11] 
[11] 
[11] 
[39] 
[46] 
[48] 
[48] 
[48] 
[47] 
[38] 
[38] 
[38] 
[39] 
[37] 
[46] 
[43] 
[31] 

Литература 

9

 

 

Рис. 1.4. Зависимость температуры 
в канале ВЧФР от мощности W [63, 64]
Рис. 1.5. Зависимость температуры 
в канале ВЧФР от частоты поля  
v [18, 52] 

В свою очередь, исследования по пространственному распределе
нию температур (рис. 1.6, 1.7) указывают на существенное падение температур в радиальном направлении и на относительно слабое падение 
осевой температуры 

dz
dT
dr
dT

. Заметим, что температура ВЧФР в 

молекулярных газах составляет (3…5)103 К. Это различие связано с 
большей эффективностью передачи энергий от электронов к тяжелым 
частицам в молекулярных газах по сравнению с атомарными. В случае 
даже незначительных добавок молекулярного газа [37, 39] температура 
ВЧФР, горящего в атомарном газе, значительно повышается. В работе 
[63] измерялась также температура диффузионной оболочки ВЧФР. Для 
ВЧФР, горящего в атмосферном воздухе, температура диффузионной 
оболочки составляет 2200…2500 К. 
Сравнение результатов измерений газовой температуры с температурой электронов показывает, что при частоте поля в десятки мегагерц 
различие между ними порядка Te/T = 1,5…2,5. Однако в случае, когда 
частота запитывающего разряд поля лежит в СВЧ-диапазоне, разница 
между электронной температурой и газовой становится более существенной (Te/T = 5…25). В работе [64] также показано, что распределение электронов по скоростям в канале ВЧФР имеет вид, отличающийся 
от максвелловского. Таким образом, мы можем сделать вывод о существенной неравновесности плазмы ВЧФР.  
Характеристики разрядной плазмы ВЧФР в сильной степени зависят от частоты электромагнитного поля, мощности, подводимой к разряду, и величины расхода плазмообразующего газа. В работе [33] показано, что с уменьшением частоты (при заданной мощности) увеличивается длина канала разряда и уменьшается температура плазмы. 
 

10