Об измерениях квазистационарного скачка потенциала в ПСПЗ методом подключения разделительных конденсаторов

Об измерениях квазистационарного скачка потенциала в ПСПЗ методом подключения разделительных конденсаторов.

В статье Александрова и др. [1] предлагаются схема (рис.1а и б), где предполагается, что, измеряя квазистационарное напряжение на внешнем разделительном конденсаторе можно вычислить напряжение , создаваемое в ПСПЗ около электрода .

При обсуждении теории вопроса пишется электростатическое уравнение (3):

Напряжение U₀₁ измеряется внешним электростатическим вольтметром, имеющим очень большое внутреннее сопротивление (сотни тераом и больше). При этом неявно предполагается, что конденсаторы  и  идеальные и при измерении напряжения энергия не затрачивается, т.е конденсаторы «не текут». В лаборатории ВЧ разряда ДВГГУ были повторены опыты по измерению квазистационарных напряжений и при этом встретились экспериментальные трудности, которые необходимо обсудить.

1)  для того, чтобы электростатический вольтметр «следил» за измеряемым им напряжении нужно,  чтобы приборы (где -сопротивление изоляции вольтметра, - его входная емкость) было меньше 0,1-0,01 секунды. Значит, прибор нужно шунтировать внешним сопротивлением порядка сотен гигаом, а иначе его показания становятся неопределенными. (Если совсем убрать , то время установления будет больше часа).

2)  Цепочку конденсаторов ,, (рис. 1б), где  предполагается источником квазистационарного напряжения , можно выделить по постоянному току в виде простой схемы.

Ключ  введен для фиксации начала отсчета времени (замыкается при ). Начальный заряд на конденсаторах  и  равен нулю.  и  – резисторы, включающие сопротивление изоляции конденсаторов и вольтметров. Точка А на рис. 1б по постоянному напряжению – это земля. Внутреннее сопротивление генератора высокой частоты (выходная катушка) равно нулю.

3)  Напишем систему уравнений для схемы 1

Где и - заряды конденсаторов и

Система (1^*) легко решается постановкой Эйлера

 

  (2^*)

  и   – постоянные, определяемые из начального условия:  при ; ;  - корни характеристического уравнения ; числа обозначенные буквами     , ,  - комбинации из , , , ,     

; ; ; ; ;    (3^*)

4)  Рассмотрим случай стационарного решения, когда t→∞ (т.е , где ; )

Как было показано в начале и   0,1÷0,01 секунды, поэтому  можно выбирать порядка единиц секунд. Тогда все экспоненты в решении (2^*) равны нулю, так как имеют множитель , где , и получаем

; ; т.к  и , то

  (4^*) и не зависит от величины емкостей, а определяется только величиной шунтирующих сопротивлений. При этом

5) Исследовался ВЧ разряд в разрядных трубках при давлениях 0,1 – 1 Тор с внутренними металлическими электродами в воздухе, неоне, а также ВЧ разряд с внешними электродами, расположенными снаружи разрядной камеры из стекла, в которой находился газ.

Целью исследования было обнаружение и измерение приэлектродных скачков постоянного напряжения, которое обнаруживается в приэлектродных слоях ВЧ разряда.

Приэлектродные скачки квазистационарного напряжения были подробно исследованы в работах Александрова, Савинова ….. [-1]   оптическими и электрическими методами.

В данной работе используется метод измерения квазистационарного напряжения на внешнем разделительном конденсаторе, включенном последовательно с разрядной трубкой. Этот метод описан в работе […]. В ней квазистационарное напряжение U на внешнем конденсаторе измерялось электростатическим вольтметром, включенным через специальный RC фильтр, препятствующий попаданию ВЧ напряжения на вольтметр, но пропускающий постоянное напряжение.

В нашей работе вместо электростатического вольтметра для измерения напряжения использовалась схема, состоящая из резистора, дросселя ВЧ ,                          конденсаторов и микроамперметра магнитоэлектрической системы. В этом случае квазистационарное напряжение на внешнем конденсаторе определялось как произведение тока, отмеченного микроамперметром, на величину последовательного с ним резистора.

Такое видоизменение эксперимента было обусловлено следующими обстоятельствами: 1) электростатический вольтметр измеряет сумму постоянного и переменного напряжений. От ВЧ переменного напряжения на вход вольтметра, помещенного рядом с мощным генератором ВЧ избавиться очень трудно. Как показал опыт имеют место и наводки от напряжения сети 50 Гц. Прибор магнитоэлектрической системы не отключается от переменного тока и реагирует только на ток постоянного напряжения.

2) По отклонению электростатического вольтметра нельзя определить полярность напряжения, т.е. направление тока. Магнитоэлектрический прибор направление тока однозначно определяет.

2. Экспериментальная установка.

Экспериментальная установка состояла из генератора тока высокой частоты и разрядной трубки, подсоединенной по схеме, показанной на рис. 1

рис.

Схема измерения квазистационарного тока на заземленном электроде разрядной трубки РТ – напряжение трубки, Г- генератор ВЧ, С₀- внешний конденсатор, на котором измеряется квазистационарное напряжение, D_р – дроссель ВЧ, С₁, С₁ – шунтирующие конденсаторы фильтра ВЧ, R – резистор фильтра, μА – микроамперметр магнитоэлектрической системы, U₁, U₂ – вольтметры для измерения переменного напряжения ВЧ.

ВЧ напряжение от генератора Г подается на высоко…. электрод разрядной трубки РТ (на рис. 1 – правая). В трубке возникает ВЧ разряд. При этом микроамперметр измеряет квазистационарный ток J, обусловленный квазистационарным напряжением на конденсаторе С₀.

Определялась зависимость J от напряжения на РТ, от величины резистора R, от …… конденсатора С₀ на данной РТ. Затем РТ заменялась и измерения проводились при другом газе или другом давлении. Были исследованы трубки:

1) Воздух при давлении 100 мТор, 200 мТор, 500 мТор, 1 Тор, 2 Тор, 10 Тор.

3) Ne – р=100 мТор

Фотография эксп. установки показана на рис. 2

Были проведены опыты по одновременному измерению квазистационарных токов на обеих электродах РТ. Схема этого эксперимента приведена на рис. 3.

Режим ВЧ разряда в трубке, соединенной с генератором по схеме рис. 3, по существу безэлектродный, т.к. квазистационарные напряжения возле электродов, внутри трубки, полностью компенсируются на конденсаторе С₀ и С₀^/.

Для доказательства этого и увеличения роли, последовательно с трубкой включенных, конденсаторов, был проведен эксперимент по схеме показанной на рис. 4.

Эта схема аналогична схеме рис. 3, но между конденсаторами С₀ и С₀^/ и трубкой включены конденсаторы С₀₁ и С₀₂, которые можно было шунтировать высокоомными резисторами R₀₁ и R₀₂ с помощью ключей К₁ и К₂.

3. Результаты эксперимента.

3.1 Была получена зависимость тока, от величины резистора R по схеме рис. 1. Результаты представлены в таблицах и на графике.

Таблица 1

J=J(R) в схеме рис. 1

Неоновая трубка U₂=298 В, С₁=…, С₂=…., С₀=…

№ опыта	R МΩ	J мкА	U=JR В

Таблица 2

J=J(R) в схеме рис. 1

Неоновая трубка U₂=280 В

№ опыта	R МΩ	J мкА	U=JR В

и т.д. таблицы №3,4,…, n

и рис. 5,6,…,m

………..

затем также проделать по схемам рис. 3 и по рис. 4

4. Обсуждение результатов эксперимента

5.Заключение (Выводы).

при t=0 ключ замыкает U₁, U₂ – показания вольтметра

U₀=JR₀+U₁+U₂

; q=CU;

J=C