Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 6
1.1. Диэлектрический барьерный разряд 6
1.2. Поверхностный барьерный разряд 7
1.3. Структура поверхностного барьерного разряда 9
1.4. Серия микроразрядов. Структура микроразряда 12
1.5. Численные исследования поверхностного барьерного разряда 14
1.6. Синтез озона в поверхностном барьерном разряде 20
1.6.1. Кинетика синтеза озона в кислороде 20
1.6.2. Реакции образования озона 22
1.6.3. Стадии образования озона 25
1.6.4. Энергетический выход озона 26
1.7. Обобщение литературных данных 27
1.8. Цели и задачи исследования 27
2. Методы исследования 29
2.1. Разрядная ячейка поверхностного барьерного разряда 29
2.2. Динамика заряженных и нейтральных частиц 30
2.3. Расчет конфигурации электрического поля 31
2.4. Метод зеркальных отображений 33
2.5. Начальные и граничные условия уравнений неразрывности 40
2.6. Фотопроцессы на поверхности и в объеме 41
2.7. Реакции в разрядной зоне 42 2.8. Алгоритм расчета 44
3. Динамика разрядных процессов в поверхностном барьерном разряде 46
3.1 Пробой газового промежутка и формирование стримеров 46
3.2. Ток разряда 54
3.3. Катодный слой 56
3.4. Механизм движения стримеров 61
3.5. Пространственно-временные распределения напряженности поля над диэлектрической поверхностью 63
3.6. Плотность тока в поверхностном барьерном разряде 66
3.7. Заряд на поверхности диэлектрика 68
4. Выделение энергии и синтез озона в поверхностном барьерном разряде в кислороде 73
4.1. Динамика выделения энергии в канале 73
4.2. Изменения температуры в канале микроразряда 77
4.3. Диссоциация молекулярного кислорода над диэлектрической поверхностью 78
4.4. Эффективность синтеза озона из кислорода 84
5. Серии микроразрядов при знакопеременном напряжении 87
5.1. Разрядный ток и серии микроразрядов 88
5.2. Заряд на поверхности 93
5.3. Разрядные процессы при знакопеременном напряжении 95
5.4.Эффективность синтеза озона при множественном разряде и знакопеременном напряжении питания 101
6. Обсуждение результатов 104
6.1 Общие замечания 104
6.2 Начальная фаза пробоя газового промежутка 104
6.3. Формирование канала микроразряда и катодного слоя 110
6.4 Заряд в объеме и на поверхности 116
6.5 Обсуждение 121
6.5.1 Динамика разрядных процессов 121
6.5.2 Экспериментальные данные 127
6.5.3. Синтез озона в поверхностном барьерном разряде. 132
Выводы 135"
Список литературы 138
Приложение
- Структура поверхностного барьерного разряда
- Начальные и граничные условия уравнений неразрывности
- Механизм движения стримеров
- Изменения температуры в канале микроразряда
Введение к работе
Актуальность темы. Возросшее внимание общества к проблемам загрязнения окружающей среды многократно повысило значимость экологически чистых производств и технологий. Среди химически активных веществ озон является одним из самых перспективных экологически чистых сильных окислителей и широко используется в современных технологических процессах; перечень областей применения озонных технологий весьма обширен: химическое производство, физика и физическая химия, медицина, биология, пищевое и сельскохозяйственное производство, дезодорация и дезинфекция помещений.
Основным промышленным методом получения озона является его электросинтез из кислорода, а именно: получение озона в барьерном электрическом разряде. Различают три типа барьерного разряда: объемный, копланарный и поверхностный, - в зависимости от взаимного расположения диэлектриков и токопроводящих электродов. В настоящее время накоплен обширный экспериментальный и теоретический материал об объемном и копланарном барьерных разрядах, в том числе, о синтезе озона в них. Синтез озона в поверхностном барьерном разряде до сих пор изучен в значительно меньшей степени, что препятствует эффективному практическому использованию данного вида разряда.
Совершенствование существующих и создание новых промышленных устройств на основе поверхностного барьерного разряда требует глубокого понимания механизмов процессов, происходящих в этом разряде, в том числе при синтезе озона. Малые размеры каналов микроразрядов, их наносекундная длительность и практически невозможность фиксации единичного микроразряда в пространстве значительно затрудняют его экспериментальное исследование. По этой причине исследование динамики поверхностного барьерного разряда и кинетики электросинтеза озона в нем численным моделированием представляется перспективным методом.
Исследование разряда, контролируемого диэлектрическими барьерами, представляет не только прикладной, но и значительный научный интерес. Экспериментальное и теоретическое изучение пространственно-неоднородного барьерного разряда дает возможность понять физические принципы протекания собственно поверхностного барьерного разряда, а также фундаментальные закономерности физики разрядных явлений.
Таким образом, исследование барьерного разряда, в том числе поверхностной геометрии, и синтеза озона в нем методом численного моделирования является актуальной задачей физики и химии низкотемпературной плазмы.
Работа выполнена в рамках научных исследований, проводимых на
кафедре физической химии Химического факультета МГУ имени
М.В.Ломоносова по теме «Химические реакции в электрических разрядах и при
фотохимическом и лазерном инициировании» (№ гос. регистрации
01.200.1 15175).
Цель работы. Цель работы состояла в изучении основных закономерностей развития поверхностного барьерного разряда в кислороде при электрическом пробое газа в разрядной области, динамики формирования разрядных каналов и кинетики электросинтеза озона в нем. Объектом исследования выбран поверхностный барьерный разряд при положительной и отрицательной полярностях приложенного к высоковольтному электроду напряжения. Методической основой исследований является метод численного моделирования.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
исследование динамики пробоя газа в разрядной области и формирования канала микроразряда в поверхностном барьерном разряде и роли фотостимулированных процессов в нем;
изучение формирования канала микроразряда, его структуры и механизма удлинения вдоль поверхности электродов при различной полярности приложенного напряжения к проводящему высоковольтному электроду;
3) получение пространственно-временных распределений напряженности
электрического поля, концентраций заряженных частиц над диэлектрической
поверхностью, а также тока разряда в цепи питания;
4) исследование динамики развития последовательных серий
микроразрядов при наличии остаточного заряда на поверхности диэлектрика;
изучение динамики и пространственно-временной структуры энерговыделения в разрядной зоне над диэлектрической поверхностью;
расчет пространственно-временной структуры распределения атомарного кислорода и эффективности синтеза озона в поверхностном барьерном разряде.
Научная новизна.
Создана 2,5-мерная модель поверхностного барьерного разряда в кислороде нормального давления, которая учитывает наличие в разрядной зоне: диэлектрика конечной толщины, заряда на поверхностях диэлектрика и проводящего электрода, канала микроразряда конечной толщины и фотопроцессов, в том числе, фотостимулированной эмиссии электронов с твердых поверхностей.
В результате проведенных расчетов впервые показано, что движение и развитие катодо-направленного стримера вдоль диэлектрической поверхности приводит, в конечном счете, к формированию канала микроразряда за головой стримера с напряженностью поля близкой к нулю.
Впервые показано, что формирование канала микроразряда с напряженностью поля близкой к нулю связано с ростом мощности стримера, как источника электронов. Рост мощности стримера связан с формированием в голове стримера положительной обратной связи: рост напряженности электрического поля приводит к увеличению скорости размножения и концентрации электронов, что ведет к росту плотности фотонов, которые, в свою очередь, обеспечивают увеличение плотности вторичных фотоэмиссионных электронов.
Найдено, что при концентрации электронов в канале микроразряда порядка 10 частиц/см напряженность электрического поля становится близкой к нулю, перенос заряда по каналу практически прекращается, а стример продолжает движение, увеличивая при этом длину канала микроразряда.
Впервые сформулировано, что основным источником электронов для анодо- направленного стримера является канал микроразряда. Показано, что плотность электронов в канале микроразряда ограничена и определяется устанавливаемым равновесием между скоростью прилипания и размножения электронов. Напряженность поля при этом равновесии устанавливается на уровне 100 Таунсендов (Тд).
Впервые показано, что две формы существования канала микроразряда: с напряженностью поля порядка 100 Тд и напряженностью поля близкой к нулю, определяются мощностью источников электронов, которые инжектируются в канал микроразряда. При ограниченной мощности, когда концентрация электронов не превышает уровня в 10 частиц/см , формируется канал с высокой напряженностью электрического поля (отрицательная полярность приложенного
1С -э
напряжения), при концентрации электронов порядка 10 частиц/см формируется канал с низкой напряженностью поля (положительная полярность приложенного напряжения).
Впервые показано, что две формы существования канала микроразряда определяют их длины: канал микроразряда с высокой напряженностью электрического поля в разы короче канала микроразряда с низкой напряженностью поля, что связано с быстрым падением электрического потенциала вдоль канала.
Впервые найдено, что основное энерговыделение, а так же основная диссоциация молекулярного кислорода и синтез атомарного кислорода происходят в голове стримера микроразряда с низкой напряженностью электрического поля в его канале при положительной полярности напряжения. В то время как при отрицательной полярности напряжения наличие высокой напряженности электрического поля в канале микроразряда приводит к тому, что основные процессы происходят в самом канале.
Показано, что общий выход озона выше в канале микроразряда с низкой напряженностью электрического поля. В тоже время величины энергетической эффективности синтеза озона в обоих каналах практически совпадают. Практическая значимость.
Результаты работы уточняют и объясняют принципиальные механизмы и динамику пробоя газового промежутка в поверхностном барьерном разряде, а также в скользящем разряде на диэлектрическом катоде в объемном барьерном разряде. Полученные в работе данные позволяют проводить осмысленную эволюцию газоразрядных приборов, в которых используется барьерный разряд. В первую очередь, это повышение энергетической эффективности и эксплуатационных характеристик промышленных генераторов озона; источников УФ-излучения, аппаратов стерилизации и повышения адгезионных свойств упаковочных материалов. Кроме того, полученные данные могут быть использованы в создании промышленных устройств поверхностного разряда для
систем поджига топлива в прямоточных двигателях и изменения аэродинамических свойств поверхностей гиперзвуковых летательных машин.
Созданная численная 2,5-мерная математическая модель синтеза озона в поверхностном барьерном разряде в кислороде и установленные параметры этого процесса являются основой для расчета и оптимизации реальных электротехнических устройств, в том числе озонаторов, принцип работы которых основан на поверхностном барьерном разряде. Результаты расчетов использованы для конструирования таких устройств на предприятиях ООО «Экопромика» г.Москва и 000 «Электроэкология» г.Санкт-Петербург.
Программа и алгоритм численной модели для расчета физико-химических параметров синтеза озона в поверхностном барьерном разряде используются для обучения студентов и дипломников численным методам в лаборатории катализа и газовой электрохимии Химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.
Апробация работы. Результаты работы докладывались: на VIII, XI, XII, XIII, XV и XVI Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», (Москва, 2001, 2004, 2005, 2006, 2008, 2009); на молодежной конференции студентов «Успехи в химии и химической технологии «МКХТ-2003», (Москва, 2003); на Юбилейной научной конференции «Герасимовские чтения», посвященной 100-летию со дня рождения член-корр. АН СССР Я.И. Герасимова, 29-30 сентября 2003 г., (Москва, 2003); на Первой Всероссийской конференции «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии», посвященной 250-летию МГУ имени М.В.Ломоносова, 7-9 июня 2005г., (Москва, 2005); на Международном конгрессе ЮА 171 world congress&exhibition: Ozone&Related Oxidants Innovative&Current Technologies, Strasbourg, France, August 22-25, 2005, (Страсбург, 2005); на 30-ом Всероссийском семинаре «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии» (Москва, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, включая 3 статьи и 11 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка цитируемой литературы, приложения. Работа изложена на 148 страницах, включает 80 рисунков и 4 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 128 наименований.
Структура поверхностного барьерного разряда
Поверхностный барьерный разряд протекает в виде серии микроразрядов, рис. 1.3. Изучение поверхностного разряда при помощи пылевых фигур Лихтенберга и фотографирования быстрой фотокамерой [19, 45-49] показало, что структура следов микроразрядов на поверхности зависит от полярности приложенного напряжения. Положительный импульс напряжения вызывает появление разряда с выраженной канальной структурой. Плотность размещения каналов составляет примерно 14-25 каналов на 1 см длины высоковольтного электрода. Разряд, вызванный импульсом отрицательной полярности, оставлял практически однородный след. В случае положительного импульса ширина разрядной зоны больше [27]. При изменении амплитуды импульса длина разрядов обеих полярностей изменяется пропорционально приложенному напряжению. С другой стороны, при приложении знакопеременного напряжения были зафиксированы каналы микроразряда при обеих полярностях, рис. 1.4 и рис. 1.5, [19]. При положительной полярности каналы микроразрядов в несколько раз длиннее, чем при отрицательной полярности напряжения, рис. 1.6. При размещении на поверхности диэлектрика параллельно расположенных электродов, длины каналов микроразрядов ограничены межэлектродными промежутками [50-52]. Пылевые фигуры
Лихтенберга показывают [25], что разряд от каждого электрода в таких системах распространяется на расстояние не больше половины межэлектродного расстояния, то есть площадь, охваченная разрядом, при превышении определённой величины напряжения питания не зависит от напряжения приложенного импульса. Толщина диэлектрика, с одной стороны [47, 53-60], в случае положительной полярности, не влияет на длину каналов микроразрядов: длина каналов микроразрядов прямо пропорциональна величине напряжения питания и не зависит от толщины диэлектрика. С другой стороны, при отрицательном напряжении длина микроразрядов зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика, [48]. Такие же данные были получены в работе [26\ при отрицательной полярности. В тоже время, в случае положительной полярности отмечен значительный рост длины каналов при уменьшении значения диэлектрической проницаемости [26], что фактически противоречит данным, полученным в работе [53]. В работе [61] сравниваются осциллограммы импульсов тока при объемном и поверхностном барьерных разрядах. Условия эксперимента подобраны таким образом, что максимальные значения величин импульсов тока были примерно одинаковы и составляли порядка 100 мА. Импульс тока и в объемном, и в поверхностном барьерных разрядах уменьшается до малых значений за время примерно 100 не. Однако нарастание тока в объёмном разряде происходило за 5 не, а в поверхностном — приблизительно за 10-25 не. Представленные данные указывают на различие в динамике распространения микроразрядов при объёмной и поверхностной геометриях разрядной ячейки.
Примерно такие же цифры были получены при экспериментальном исследовании плазменных панелей, [62]. Было найдено, что пространственный перенос заряда практически завершается через 150 не после пробоя газового промежутка. Таким образом, поверхностный барьерный разряд реализуется в виде множества тонких микроразрядов, почти равномерно распределенных по всей площади электродов [63-66]. В цепи питания разряда появление микроразрядов сопровождается импульсами тока. Исследование микроразрядов с высоким (менее 1 не) временным разрешением [63] показало, что микроразряды появляются сериями. В течение нескольких десятков наносекунд разрядный промежуток практически одновременно пробивался в нескольких местах. При этом промежуток времени между разными сериями (сотни или тысячи наносекунд) оказывался намного длиннее, чем между отдельными микроразрядами в серии. В работе [67] экспериментально исследовался поверхностный барьерный разряд в кислородно-азотной смеси. Разрядная ячейка представляла собой прозрачный диэлектрик с диэлектрической проницаемостью равной 16 и толщиной 2 мм, на поверхности которого находился сферический металлический электрод диаметром 4 мм. В данной работе с помощью сенсоров на основе эффекта Покеля и осциллографов измерялись параметры и характеристики микроразряда поверхностного барьерного разряда. Результаты экспериментов представлены на рис. 1.7.
Авторами работы [67] была экспериментально определена скорость движения стримера, которая составила 2,4-107 см/с. 150 х, мм іг Рис. 1.7. Динамика распространения стримера в поверхностном барьерном разряде по экспериментальным данным работы [67]. В работах [68, 69] экспериментально исследовалась структура микроразряда в объемном барьерном разряде в воздухе при атмосферном давлении методом кросс - корреляционной спектроскопии. Результаты измерений подтверждают представления о микроразряде, полученные путем численного моделирования. В начальной фазе, длительностью порядка 10 не, происходит зарождение стримера вблизи анода, который затем быстро движется по направлению к катоду. Время движения
Начальные и граничные условия уравнений неразрывности
При моделировании барьерного разряда учитывались фотоэмиссия и фотоионизация. Поток вторичных электронов с катода ус связан с потоком фотонов на катоду /, выражением где Yph коэффициент фотоэмиссии. Поток фотонов на поверхность катода связан с плотностью возбужденных молекул в объеме [45] 4;го о где N — плотность излучающих молекул, А — обратное время спонтанного излучения (A = 10-1 [97]). Ядро интегрального оператора имеет вид коэффициент поглощения излучения. Фотоэмиссия в любой точке xj предполагалась пропорциональной скорости ионизации электронами в точке Xj. В таком случае Ф определялась интегрированием скорости ионизации по всему объему разрядной области: где В — постоянная, a (XjXj) является скалярным произведением и определяет угол падения света в данной точке к освещаемой поверхности, пе — плотность электронов, ое — скорость электронов, а — коэффициент ионизации электронов. Предполагалось, что микроразряд ограничен по ширине и имеет по координате Z конечный размер. В настоящее время имеется достаточно полное представление о механизме образования озона в барьерном разряде. Современный механизм образования озона в воздухе включает 119 различных реакций, а кислороде — 92. Как показали численные эксперименты, за время активной фазы разряда, которая не превышает нескольких сотен наносекунд, в кинетической схеме реакций необходимо учитывать значительно меньше реакций. В схему реакций исследуемой в настоящей работе модели включены следующие реакции: Константы реакций ионизации (2.21) и диссоциативного прилипания (2.22) принимались функциями локальной напряженности поля и были взяты из литературных данных [26], рис. 3.6. При моделировании учитывались реакции диссоциации молекулярного кислорода электронным ударом: и реакция атомарного кислорода с молекулярным кислородом с образованием озона: При инициализации расчетов определялись параметры моделирования, а именно: количество узлов разностной сетки, коэффициент эмиссии электронов, коэффициент эмиссии ионов, геометрические размеры разрядной ячейки поверхностного барьерного разряда, толщина диэлектрика и его диэлектрическая постоянная, напряжение, приложенное к высоковольтному электроду, начальные концентрации заряженных частиц, коэффициенты дрейфа и подвижности заряженных частиц, зависимости коэффициентов ионизации и прилипания электронов от величины напряженности электрического поля, константы скорости химических реакций.
На основании этих данных рассчитывались дистанционные матрицы (соотношения 2.14 и 2.15) для определения зарядов в любом узле расчетной области и в высоковольтном электроде. После проведения перечисленных выше подготовительных операций запускался основной цикл моделирования, который заключался в пошаговом расчете всех параметров в разрядной области. Шаг по времени уточнялся во время расчетов, его величина выбиралась таким образом, чтобы изменение параметров не превышали 1% на каждом шаге. На каждом шаге по времени рассчитывались следующие характеристики: - заряды на поверхности высоковольтного электрода; - граничные условия, в том числе потенциал на границе расчетной области; -тангенциальная (продольная) и нормальная компоненты напряженности электрического поля как решение уравнения Пуассона; - скорость дрейфа заряженных частиц; - методом FCT (метод коррекции потока) [115] в приближении локального равновесия решались уравнение неразрывности для всех заряженных частиц в разрядной области. Таким образом, рассчитывался дрейф заряженных частиц в электрическом поле; - на основе предыдущего шага с учетом нового распределения плотности зарядов в разрядной ячейке рассчитывались фотопроцессы (объемная фотоэмиссия, поверхностная фотоэмиссия); - последним этапом рассчитывалась кинетика химических реакций на основе уравнения формальной химической кинетики. После перечисленных расчетов определялась длительность очередного шага во времени, и данный цикл повторялся. Распределение напряженности электрического поля рассчитывалось в трех измерениях по трем координатам X,Y,Z. Размножение заряженных частиц и синтез атомарного кислорода, а, следовательно, и озона, рассчитывались в двух координатах X и Y. Такой подход при численном моделировании называют 2,5- мерным. Он позволил намного точнее описать динамику синтеза озона в поверхностном барьерном разряде, чем это было сделано ранее другими авторами [19, 96-103] при двухмерной постановке задачи, когда электрическое поле и размножение заряженных частиц рассчитывались в двух координатах. Таким образом, создан алгоритм описывающий, синтез озона в поверхностном барьерном разряде в кислороде. На языке «Fortran» разработан и реализован программный код 2,5-мерной модели этого алгоритма. Моделирование разрядных процессов проводилось при отрицательной и положительной полярностях приложенного к проводящему высоковольтному электроду напряжения. Как показали результаты моделирования, динамика пробоя газового промежутка и формирование канала микроразряда существенным образом зависят от знака приложенного напряжения.
По этой причине, в представленных далее результатах, делается прямое сравнение данных, полученных с помощью моделирования пространственно-временной динамики поверхностного барьерного разряда, при положительной и отрицательной полярностях напряжения, приложенного к высоковольтному электроду. С ростом напряжения на высоковольтном электроде вблизи его грани, прижатой к поверхности диэлектрика («стык»), рис.3.1, достигаются условия пробоя газа. Распределения напряженности электрического поля в газе непосредственно перед пробоем разрядного промежутка при различных полярностях приложенного напряжения приведены на рис.3.2а и 3.26, рис.З.За и 3.36. В этой области, характерный размер которой составляет несколько десятков микрон, появление электронов приводило к развитию разрядных процессов как при отрицательной (рис.3.2), так и при положительной (рис. 3.3) полярностях приложенного напряжения. Во время начальной фазы разряда размножение электронов происходило во время их дрейфа в электрическом поле, максимальная напряженность которого наблюдалась вблизи электрода. За достаточно короткое время все первичные электроны достигали твердых границ — проводящего электрода и диэлектрика. Движение и размножение электронов приводило к появлению отрицательных и положительных ионов над диэлектрической поверхностью. Однако интенсивности разрядных процессов, поддерживаемых только движением оставшихся в разрядной области ионов, недостаточно для пробоя и формирования канала микроразряда. Положительная обратная связь между движением электронов и усилением разрядных процессов образовалась только при «включении» фотопроцессов — объемной фотоионизации и, особенно, фотостимулированной эмиссии электронов с твердых поверхностей. Объемная фотоионизация требует фотонов со значительной (10 эВ и более) энергией. По этой причине этот процесс не может поддерживать развитие барьерного поверхностного разряда, средняя энергия электронов в котором при пробойной напряженности поля составляет примерно 5 эВ. Включение же в алгоритм расчетов фотостимулированной эмиссии с твердых поверхностей привело к появлению положительной обратной связи между двумя процессами: образованием заряженных частиц и вторичных электронов в газоразрядной области. Интенсивность фотостимулированной эмиссии намного выше интенсивности объемной фотоионизации, так как работа выхода электронов лежит в пределах 4-6 эВ для большинства известных материалов [63], что сравнимо со средней энергией электронов. Экспоненциальное размножение вторичных электронов приводило через некоторое время к тому, что плотность объемного заряда в газе достигала уровня, при котором появлялось заметное возмущение напряженности электрического поля -формировался стример. При отрицательной и положительной полярностях
Механизм движения стримеров
Таким образом, при отрицательной полярности уширение катодного пятна является причиной роста разрядного тока. Вблизи максимума тока наблюдается стабилизация поперечного размера катодного пятна вдоль катода, размер которого достигает примерно 40-60 мкм, рис.3 Л1. Продольная толщина катодного слоя вдоль диэлектрика составляет примерно 20-30 мкм. С формированием катодного слоя появляется источник электронов, который может поддержать появление и развитие канала микроразряда, который и появляется вблизи катода, рис.3.7. Движение стримера от катода вдоль поверхности диэлектрика происходит со скоростью примерно 5-Ю6 см/сек. Высота канала микроразряда над диэлектриком при отрицательной полярности определяется высотой стримера и составляет примерно 15 мкм, рис.3.56. После формирования катодного слоя перераспределение плотности электронов и напряженности электрического поля в катодном слое приводило к снижению роли фотопроцессов. Непосредственно у поверхности высоковольтного электрода плотность электронов становилась на несколько порядков ниже, чем в канале. Двигаясь от поверхности вдоль диэлектрика и размножаясь, электроны достигали плотности порядка 1-Ю14 см"3 только на внешней границе катодного слоя, рис.3.10. Это объясняется тем, что максимальная напряженность электрического поля наблюдалась непосредственно у поверхности. Такая структура поля приводила к низкой плотности потока фотонов. Именно по этой причине в катодном слое при отрицательной полярности роль фотоэммиссии замещалась ионной эмиссией. Скорость этого процесса определяется временем пробега положительными ионами катодного слоя от его внешней границы, где они образовывались при взаимодействии с электронами, до поверхности высоковольтного электрода (рис.3.10). Этот механизм значительно медленнее механизма размножения электронов в голове стримера при положительной полярности приложенного напряжения. По этой причине и результаты такого процесса заметно слабее - плотность электронов в канале микроразряда при отрицательной полярности приложенного напряжения примерно на 2 порядка ниже такой же при положительной полярности, рис.3.12 и 3.13.Следовательно, проводимость канала также ниже, а напряженность электрического поля в канале микроразряда заметно выше, составляя порядка 80-100 Тд, рис.3.8 и 3.12.
При такой высокой напряженности электрического поля в канале потенциал в голове стримера достаточно быстро падает при удлинении канала микроразряда, и, соответственно, средняя напряженность поля в голове стримера тоже падает. Это, в свою очередь, приводит к снижению интенсивности разрядных процессов, и, как результат, длина канала микроразряда в этом случае в 4-5 раз меньше, чем при положительной полярности, что также подтверждается экспериментальными результатами, таблица 3.1. При положительной полярности движение стримера обусловлено процессами, происходящими вблизи головы стримера. Эта область обведена овалом на рис.3.12. Интенсивные процессы в голове стримера, прежде всего, размножение электронов в электрическом поле, приводят к возникновению мощного потока фотонов на поверхность диэлектрика, который формирует фотостимулированную эмиссию с поверхностей и ведет к появлению значительной плотности электронов перед головой стримера. Конфигурация поля перед стримером такова, что фотоэлектроны двигаются, в основном, вверх от поверхности. Во время этого движения плотность электронов возрастает на порядки по сравнению с их плотностью в начальный момент времени и достигает уровня 1015част/см"3. В связи с высокой плотностью зарядов при положительной полярности напряжения, приложенного к высоковольтному электроду, напряженность электрического поля в канале близка к нулю. Вблизи стримера наблюдалось возмущение электрического поля, величина которого максимальна у основания стримера, вблизи диэлектрика, и достигала 1200-1300 Тд, рис.3.12. Распределения плотностей электронов и положительных ионов, напряженности электрического поля, так же как и абсолютные значения этих параметров в голове стримера, близки к таким же в «нормальном» катодном слое. Голова катодо-направленного стримера находилась на катодном конце канала микроразряда, то есть структура параметров разряда вблизи головы стримера в этом случае представляла собой в некотором роде подвижный аналог катодного слоя, существующего при отрицательной полярности приложенного напряжения.
Причиной же движения стримера вдоль поверхности диэлектрика являлось засвечивание фотонами диэлектрической поверхности перед головой стримера. Полный заряд перед стримером был отрицателен, так как состоял из фотоэлектронов. Максимальная плотность электронов достигалась в верхней части стримера, рис.3.12. В этом же месте наблюдалась максимальная концентрация положительных ионов, которая практически равна плотности электронов: с этого места и далее, вплоть до проводящего электрода, канал микроразряда квазинейтрален и являлся проводником, соединяющим анод с головой стримера. В случае отрицательной полярности приложенного напряжения катодный слой расположен у проводящей поверхности высоковольтного электрода - катода. «Нормальный» катодный слой в этом случае являлся единственным реальным источником электронов, которые двигались по проводящему каналу вдоль поверхности диэлектрика, рис.3.5б, 3.7. В этом случае формировался анодо-направленный стример, но его интенсивность значительно уступала интенсивности катодо-направленного, рис. 3.13. Как и при положительной полярности, при отрицательной полярности движение стримера вдоль поверхности диэлектрика приводило к формированию высокопроводящего канала микроразряда. Однако в этом случае напряженность электрического поля в канале составляла 80-100 Тд, что примерно вдвое ниже напряженности поля при пробое кислорода, но значительно выше такой же при положительной полярности.
Изменения температуры в канале микроразряда
Удельная теплоемкость кислорода при нормальных условиях близка к 1 мДж/моль-К. По этой причине распределения плотности энерговыделения практически совпадали с распределениями изменений температуры над поверхностью диэлектрика в разрядном промежутке. Изменение плотности энерговыделения на 1 мДж/см соответствует изменению температуры на 1 К. Показанные на рис. 4.3 распределения представляют собой всю выделившуюся энергию в канале микроразряда и являются оценкой "сверху" роста температуры в нем. В дальнейшем часть этой энергии тратится на химические трансформации, а часть перейдет в поступательную энергию газа. Из рис. 4.3 видно, что в основном объеме канала изменение температуры не превышало 10-20 К, хотя у проводящего электрода это изменение достигало 150 К для положительной и 80 К для отрицательной полярностей приложенного напряжения. Отмеченная неоднородность энерговыделения (нагревания газа), по-видимому, объясняет отмеченный в экспериментах рост коэффициента теплопроводности в разрядной зоне озонатора. Ранее он объяснялся турбулентным характером течения газа или изменением состава газа (наличием ионов и возбужденных частиц). Рост коэффициента теплопроводности объясняется неоднородностью тепловыделения, причем, значительная часть энергии выделяется непосредственно у поверхности электродов. Диссоциация молекулярного кислорода под действием электронного удара начиналась одновременно с энерговыделением в соответствии с элементарной реакцией (2.25). При начальной концентрации озона в зоне разряда, близкой к нулю, практически весь атомарный кислород преобразовывался в озон. Характеристическое время этой реакции (2.26) при нормальном давлении порядка 5 микросекунд. То есть, через 5-10 мкс после прохождения активной фазы разряда на месте атомарного кислорода образовывался озон, распределение плотности которого совпадало с распределением плотности атомарного кислорода [63].
Диссоциация молекулярного кислорода — процесс с пороговой энергией примерно 6,1 эВ, то есть он происходил в том месте, где средняя Распределения плотности О-атомов и выделенной энергии в канале микроразряда показаны на рис. 4.4 и 4.5. Области максимальной концентрации атомарного кислорода коррелируют с областями максимальной плотности выделенной в канале энергии. При положительной полярности приложенного напряжения максимальная концентрация атомарного кислорода достигалась над диэлектриком, на высоте примерно 30 мкм, рис. 4.4. Вдоль канала микроразряда плотность атомарного кислорода распределена практически равномерно. При отрицательной полярности приложенного напряжения картина иная: можно выделить две области синтеза атомарного кислорода: катодный слой и канал на поверхности диэлектрика, рис. 4.5. Вдоль канала микроразряда плотность атомарного кислорода имела распределение треугольной формы, рис 4.66. При положительной полярности приложенного напряжения основной синтез атомарного кислорода происходил в основном в голове стримера, рис. 4.6а. Интенсивность процессов в этой области была сравнима с интенсивностью процессов в катодном слое при отрицательной полярности. После прохождения за исключением прианодной области. Некоторая часть атомарного кислорода, который все же синтезировался при положительной полярности вне головы стримера, образовывалась на внешней части канала микроразряда, вдали от поверхности диэлектрика, рис. 4.7.
Это связано с особенностями распределения напряженности поля в канале, а именно с тем, что напряженность поля отлична от нуля только на внешней границе микроразряда относительно расположения поверхности диэлектрика. Высота канала в этом случае, как видно из рис. 4.4 и 4.7, составляла примерно 80-100 мкм. При отрицательной полярности приложенного напряжения основной синтез атомарного кислорода происходил в канале микроразряда, рис. 4.66. После прохождения головы стримера синтез атомарного кислорода в канале микроразряда продолжался. В голове анодно-направленного стримера атомарный кислород практически не образовывался, рис. 4.66. В то же время, в любой точке канала микроразряда наблюдался постоянный рост концентрации озона, причем скорость диссоциации кислорода была практически постоянна по всей длине канала, рис. 4.66. Это связано с тем, что напряженность поля в микроразряде отрицательной полярности заметно выше нуля и составляет порядка 80-100 Тд по всей длине канала, рис.4.2. Концентрация О-атомов
