Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Генерация объемного барьерного разряда в атмосферном воздухе (литературный обзор) 15
1.1. Генерация тлеющего барьерного разряда при атмосферном давлении15
1.2. Реализация объемного барьерного разряда в атмосферном воздухе с предионизацией разрядного промежутка 19
1.3. Реализация наносекундного барьерного разряда в атмосферном воздухе при высокой скорости нарастания напряжения на разрядном промежутке 27
ГЛАВА 2. Экспериментальная установка для реализации и исследования наносекундного барьерного разряда в атмосферном воздухе при естественной влажности 39
2.1. Требования к системе генерации высоковольтных импульсов для питания барьерного разряда 39
2.2. Схема генерации высоковольтных униполярных прямоугольных импульсов для питания наносекундного барьерного разряда 47
2.3. Испытания системы генерации высоковольтных импульсов на различную нагрузку 53
ГЛАВА 3. Исследование влияния параметров внешней цепи на режим горения наносекундного барьерного разряда в атмосферном воздухе при естственной влажности 60
3.1. Влияние сопротивления внешней цепи на режим горения наносекундного барьерного разряда 60
3.2. Влияние амплитуды прикладываемого к электродам напряжения на поведение барьерного разряда 68
3.3. Влияние частоты прикладываемых импульсов на однородность барьерного разряда в миллиметровых воздушных промежутках при атмосферном давлении. Оптический метод диагностики. 72
ГЛАВА 4. Исследование влияния параметров разрядного промежутка на режим горения наносекундного барьерного разряда в миллиметровых воздушных промежутках при атмосферном давлении 82
4.1. Влияние материала барьера на степень однородности наносекундного барьерного разряда 82
4.2. Влияние прокачки воздушного промежутка на степень однородности наносекундного барьерного разряда в миллиметровых промежутках 91
4.3. Влияние высоты газоразрядного промежутка на развитие наносекундного барьерного разряда в миллиметровых воздушных промежутках атмосферного давления 99
Заключение 111
Список литературы
- Реализация наносекундного барьерного разряда в атмосферном воздухе при высокой скорости нарастания напряжения на разрядном промежутке
- Схема генерации высоковольтных униполярных прямоугольных импульсов для питания наносекундного барьерного разряда
- Влияние амплитуды прикладываемого к электродам напряжения на поведение барьерного разряда
- Влияние прокачки воздушного промежутка на степень однородности наносекундного барьерного разряда в миллиметровых промежутках
Реализация наносекундного барьерного разряда в атмосферном воздухе при высокой скорости нарастания напряжения на разрядном промежутке
В последнее десятилетие активно развивается другой подход для реализации объемной низкотемпературной плазмы барьерного разряда в атмосферном воздухе. Он основан на обеспечении высокой скорости нарастания напряжения на разрядном промежутке, и исключает наличие дополнительной предионизации. Выполнение таких условий становится возможным благодаря использованию импульсных генераторов в качестве систем питания барьерного разряда. Как правило, высоковольтные импульсы формируются за счет использования емкостного или индуктивного накопителя и коммутатора.
Короткого времени нарастания выходных импульсов напряжения можно добиться различными способами. К самым распространенным можно отнести использование в качестве коммутатора искровых разрядников [28,36-38]. В этом случае на выходе формируются импульсы напряжения амплитудой десятки киловольт, нарастающей за наносекунды. Однако ресурс таких коммутаторов невелик, а их использование в системе формирования импульсов ограничивает частоту следования сотнями герц, что делает невозможным проведение исследования барьерного разряда в широком диапазоне, а также накладывает ограничения на его среднюю мощность.
Впервые импульсное питание для реализации объемного разряда в атмосферном воздухе естественной влажности в 2008 году применили американские ученые [37]. Они использовали схему с искровыми разрядниками (рисунок 1.5) для формирования наносекундных высоковольтных импульсов на электродах разрядного промежутка, благодаря чему был реализован объемный барьерный разряд с характерной наносекундной длительностью (рисунок 1.6) и плотностью разрядного тока 1 – 10 А/см2. Такой наносекундный барьерный разряд исследователи из-за его временных характеристик назвали Nanosecond-Pulsed Dielectric Barrier Discharge.
Схема для формирования импульсов высокого напряжения (рисунок 1.5) содержит накопительный конденсатор и два искровых разрядника, большой (БР) и малый (МР), которые необходимы для формирования на разрядном промежутке (РП) коротких импульсов наносекундной длительности. Когда пробивается большой разрядник (БР), заряд, запасенный в конденсаторе, переходит в разряд благодаря быстрому нарастанию напряжения на электродах РП. Маленький разрядник (МР) начинает заряжаться и через некоторое время закорачивает РП, что отражается на быстром спаде напряжения на электродах РП, и определяет длительность импульса напряжения на РП.
Схема на искровых разрядниках позволяет получать короткие импульсы напряжения на РП длительностью 25 – 30 нс со скоростью нарастания 3 кВ/нс, амплитудой 15 – 27 кВ в электродной конфигурации «шар-плоскость», где расстояние между электродами варьируется от центра РП к его краю от 0,1 мм до 4,5 мм. Такие параметры импульсов, по словам авторов, обеспечивают объемную форму горения наносекундного барьерного разряда в данной конфигурации в атмосферном воздухе вне зависимости от формы и шероховатости барьера.
Однако как видно из типичных осциллограммы напряжения на РП и разрядного тока, представленных на рисунке 1.6, импульсы коммутируемого напряжения на электродах РП имеют неидеальную форму, а также в силу малой длительности (10 – 20 нс) могут искусственно прерывать развитие разряда, что напрямую влияет на процессы в разрядном промежутке. Объективное исследование разряда в этом случае затруднительно.
Осциллограммы напряжения на электродах разрядного промежутка и разрядного тока наносекундного барьерного разряда при использовании источника питания на разрядниках [37]. Еще один тип генераторов высоковольтных наносекундных импульсов, который может применяться для возбуждения объемных газовых разрядов при атмосферном давлении, основан на использовании в качестве коммутирующего элемента тиратрона. Подобная схема была предложена на кафедре электротехники МИФИ [39]. Генератор позволяет формировать на нагрузке напряжение десятки киловольт длительностью десятки наносекунд с частотой следования до 1 кГц.
Несмотря на высокую помехоустойчивость и надежность генератора, как говорят сами авторы работы [28], для широкого спектра исследования барьерного разряда, он не подходит в силу зависимости его выходных параметров от нелинейной нагрузки, которую представляет барьерный разряд.
В последнее время все большую популярность набирают ключи на полупроводниковой основе благодаря своим широким возможностям: быстрому времени переключения, управлению от задающего генератора, стабильности рабочих характеристик, наджности и долговечности.
Источник питания для наносекундного барьерного разряда в атмосферном воздухе на основе полупроводникового коммутатора был предложен в 2010 году китайскими учеными [40,61]. Его принципиальная схема приведена на рисунке 1.7а. Генератор состоит из двух частей: низковольтной и высоковольтной. В низковольтной происходит резонансная зарядка запасающего конденсатора до напряжения 600 В. Коммутатор, выполненный на основе сборки из биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ), позволяет управлять амплитудой и частотой выходных импульсов напряжения. В высоковольтной части происходит увеличение амплитуды импульса в 40 раз за счет наличия трансформатора и его уменьшение по длительности благодаря линии магнитного сжатия. Генератор может формировать на нагрузке в виде барьерного разряда (рисунок 1.7б) импульсы напряжения амплитудой до 30 кВ, длительностью 70 нс с временами нарастания 40 нс. Описываемый генератор высоковольтных импульсов напряжения может работать на частотах до 1 кГц.
Поскольку при таком подходе форма выходных импульсов определяется нагрузкой, для улучшения стабильности работы генератора параллельно разрядному промежутку поставлен низко индуктивный керамический резистор. Однако, несмотря на то, что он позволяет сгладить форму напряжения на нелинейной нагрузке, на нем рассеивается часть полезной мощности.
На рисунке 1.8 представлены типичные осциллограммы напряжения и тока в 2-мм плоском воздушном промежутке при атмосферном давлении, полученные в работе китайских ученых. Верхние осциллограммы получены в режиме единичных импульсов, а нижние – при частоте прикладываемых импульсов 500 Гц. Как видно из рисунка, при подаче единичных импульсов на электроды разряд отсутствует. При увеличении частоты на осциллограмме наблюдается ток разряда амплитудой десятки ампер наносекундной длительности. При этом на спаде кривой тока видны колебания. Типичные полученные плотности тока для такого типа разряда, по оценкам, авторов, составили 1,4 – 1,5 А/см2.
Стоит отметить, что данный генератор был протестирован при работе на мкостную нагрузку барьерного разряда при использовании различных барьеров, стеклянных пластин толщиной 2 мм [61] и стеклянных контейнеров цилиндрической формы 1-мм толщины, заполненных 16,7 % солевым раствором [62], при различных частотах от 100 Гц до 1 кГц и при разной высоте плоских воздушных промежутков 1 – 3 мм. В результате проведенных исследований сильных отличий в осциллограммах разрядного тока и фотографиях свечения в разрядном промежутке, сделанных со временем экспозиции 1 – 2 с, выявлено не было. С увеличением частоты лишь увеличивалась яркость свечения в воздушном промежутке. Осциллограммы разрядных токов также были схожи по форме.
Единственное отличие проявлялось в усилении амплитуды разрядного тока при уменьшении высоты разрядного промежутка и увеличении частоты. Стоит сказать, однако, что точность оценки однородности разряда таким методом невелика в силу короткой наносекундной длительности самих разрядов и высокой по сравнению с ней частоты импульсов (500 Гц - 1 кГц), при которой был проведен эксперимент.
Схема генерации высоковольтных униполярных прямоугольных импульсов для питания наносекундного барьерного разряда
Таким образом, картина свечения в воздушном промежутке отвечала интегральному свечению максимум двух разрядных событий, происходящих при нарастании и спаде напряжения на электродах.
Для исследования влияния частоты повторения на режим горения наносекундного барьерного разряда применялся подход, основанный на оцифровке фотографий и сравнении распределения яркости пикселей в поперечном сечении в центральном слое разрядного промежутка 70 мкм с идеальным распределением яркости изотропного свечения без поглощения, полученным с учетом формы электродов [101].
В настоящей работе применялись электроды цилиндрической формы, поперечное сечение которых представляет собой круг (рисунок 2.2а). Таким образом, кривая идеального распределения яркости свечения описывается формулой зависимости длины перпендикулярной хорды от горизонтальной координаты в поперечном сечении (от одного края электрода до другого): (3.4) где R – радиус электрода, x – горизонтальная координата.
Поэтому полученные после оцифровки фотографий свечения разряда экспериментальные данные были аппроксимированы относительной функцией распределения яркости свечения для цилиндрических электродов: где / - горизонтальная координата, соответствующая номеру пикселя экспериментального вектора яркости, R - радиус электрода, а - коэффициент нормировки, который был выбран на основании обеспечения минимального значения функции, полученной по методу наименьших квадратов: Т , (3.6) где Д - приведенные значения вектора яркости пикселей в центре разрядного промежутка, полученные путем вычитания из экспериментальных данных среднего шума фонового излучения, п -общее число пикселей. Для оценки степени однородности разряда использовалось отношение о/%, где а - среднеквадратичное отклонение Di от значений яркости идеальной кривой Ца, і), найденное как: F? (3.7) и - среднее значение яркости, найденное по формуле: Согласно полученным результатам, которые представлены на рисунке 3.8, вид послесвечения наносекундного барьерного разряда в воздушном промежутке различается в зависимости от частоты следования импульсов напряжения на электродах разрядного промежутка.
Как можно видеть из распределения яркости в разрядном промежутке, наиболее однородную форму барьерный разряд имеет при частоте повторения 30 Гц, что соответствует о/ = 0,42. При частоте 300 Гц барьерный разряд имеет смешанную форму, чему соответствует отношение о/ = 0,7. При килогерцовой частоте экспериментально полученное распределение яркости не ложится на идеальную кривую, чему соответствует отношение о/% = 1,52. Распределение яркости имеет множественные пики различной амплитуды, что свидетельствует о контракции разряда.
Таким образом, экспериментально установлено, что с увеличением частоты следования импульсов разряд склонен к контракции. Наиболее однородное свечение разряда наблюдалось на низких частотах (десятки герц). При килогерцовых частотах наносекундный барьерный разряд имел выраженную контрагированную форму.
Фото послесвечения наносекундного барьерного разряда и распределения яркости его свечения в центральном слое поперечного сечения разрядного промежутка (70 мкм) при разной f: а) 30 Гц, б) 300 Гц, в) 3 кГц. d = 2 мм, воздух, P = 1 атм., барьер – 2-мм АК 3.4. Расчет энергетических характеристик объемного наносекундного барьерного разряда в атмосферном воздухе Расчет запасенной мощности, а также мощности, рассеиваемой в барьерном разряде, был проведен на основании хорошо известной методики с использованием эквивалентной электрической схемы разрядного промежутка, показанной на рисунок 2.2б [68,69,102,103].
Из экспериментальных данных осциллограмм приложенного к электродам напряжения Vin(t) и полного тока в разрядной цепи It(t) согласно эквивалентной схеме, приведенной на рисунке 2.2б, были найдены временные зависимости напряжения на разрядном промежутке Vdg(t) и ток барьерного разряда Ids(t).
Ток разряда Ids определяется как разность между полным током цепи и током заряда «воздушного конденсатора» в отсутствие разряда Ia . Тогда имеем:
Зная временные зависимости падения напряжений на разрядном промежутке, разрядного тока, прикладываемого напряжения и полного тока можно найти мгновенную запасенную мощность от системы генерации импульсов Psup(t) = It(t)Vin(t) , а также мгновенную мощность, рассеиваемую в барьерном разряде, Pds(t) = Ids(t)Vdg(t). Энергия, передаваемая от системы импульсов, а также затраченная на разрядные процессы, определяется путем интегрирования мощностей по времени, соответственно:
Интегрирование проводится по времени в рамках длительности одного импульса напряжения, приложенного к электродам.
Расчет электрических и энергетических характеристик был проведен для объемной формы горения наносекундного барьерного разряда, реализованного в 1-мм воздушном промежутке [104]. На рисунке 3.9 представлены временные экспериментальные зависимости напряжения на электродах Vin (t) и полного тока в цепи It(t), а также расчетные зависимости падения напряжения на разрядном промежутке Vdg(t), напряжения на барьере Vb(t) и разрядного тока Ids(t).
Вид типичных временных зависимостей мощности, потребляемой от внешней цепи, и мощности, рассеваемой в разряде, а также расходуемых энергий в импульсе представлен на рисунке 3.10. Как видно из рисунка, на разряд, возникающий при нарастании напряжения на разрядном промежутке, тратится мощность, приходящая от внешнего источника. На инициацию разряда, имеющего место при спаде напряжения на разрядном промежутке, мощность из внешней цепи не расходуется, а наоборот: рекуперируется обратно во внешнюю цепь. Разряд при спаде напряжения на электродах возникает за счет электрического заряда, осевшего на поверхность барьера.
Пиковые мощности разрядов различны. Пиковая мощность разряда при нарастании напряжения на разрядном промежутке составляет 130 кВт, а при спаде – 50 кВт. Энергия разрядов также различна. В разрядном импульсе тока при нарастании напряжения выделяется около 2 мДж, а при спаде – 1,5 мДж. Таким образом, за один приложенным импульс в разряде выделяется энергия 3,5 мДж при амплитуде напряжения прикладываемых импульсов 16 кВ для 1-мм воздушного промежутка атмосферного давления.
Таким образом, для используемого плоскопараллельного разрядного промежутка с барьером из алюмооксидной керамики при площади поперечного сечения разрядного промежутка 7 см2 и высоте d = 0,1 см удельная энергия в импульсе для объемного наносекундного барьерного разряда в атмосферном воздухе составляет 5 мДж/см3.
Влияние амплитуды прикладываемого к электродам напряжения на поведение барьерного разряда
Разрядный промежуток для реализации барьерного разряда можно представить как последовательно соединенные емкости барьера и воздушного промежутка, как показано на рисунке 2.2б. Поэтому при исследовании влияния параметров разрядного промежутка на режим горения разряда необходимо уделить пристальное внимание изучению характеристик барьерного разряда в зависимости от материала барьера и высоты разрядного промежутка.
Влияние материала барьера на возможность реализации объемного барьерного разряда в атмосферном воздухе исследовалось на примере трех диэлектриков: алюмооксидной керамики, полиметилметакрилата и кварца. Геометрические размеры диэлектрических пластинок и их величины диэлектрических проницаемостей приведены в таблице 2.1.
На рисунках 4.1а, 4.1б и 4.1в. представлены характерные профили исследуемых пластинок, полученные с помощью оптического бесконтактного профилометра NewView 300. При сравнении полученных профилей видно, что профиль керамики сильно отличается от профилей кварца и полиметилметакрилата. Шероховатость поверхности керамики выше. В случае кварца и полиметилметакрилата средние арифметические отклонения из абсолютных значений отклонения профиля Ra сопоставимы между собой и составляют 10 нм. В случае керамики Ra на два порядка выше и составляет около 3 мкм. полиметилметакрилат, в) алюмооксидная керамика Наносекундный барьерный разряд зажигался в 1-мм воздушном промежутке при атмосферном давлении и относительной влажности 40–60%. Диагностика барьерного разряда проводилась по осциллограммам напряжения на электродах разрядного промежутка и тока разряда, на основании вольт-кулонных характеристик разряда, построенных на их основе. Степень однородности барьерного разряда оценивалась оптическим методом, описание которого приведено в третьей главе.
Было установлено, что при частоте следования импульсов напряжения до 100 Гц для ряда материалов барьера может наблюдаться случайная задержка появления импульса разрядного тока относительно нарастания напряжения на воздушном промежутке [85,105].
На рисунке 4.2 приведена вероятность появления разрядного тока по времени относительно момента нарастания напряжения на разрядном промежутке при амплитуде Vin = 16 кВ и частоте следования импульсов 30 Гц. Наряду с нестабильностью возникновения разряда по времени также наблюдается и непостоянство амплитуды разрядных импульсов тока.
Тем не менее, несмотря на случайность возникновения импульса тока разряда на низких частотах (до 100 Гц), переносимый заряд от импульса к импульсу вне зависимости от используемого материала барьера стремится к предельному значению Qlim2, найденному по формуле (3.2), что соответствует объемному заполнению плазмой воздушного промежутка (рисунок 4.3). С увеличением частоты следования прикладываемых импульсов напряжения при любых барьерах, используемых в эксперименте (алюмооксидная керамика, полиметилметакрилат, кварц), количество перенесенного заряда в разрядном импульсе уменьшалось.
Оптическая диагностика разряда показала разницу между пространственным распределением яркости послесвечения разряда не только при увеличении частоты повторения импульсов напряжения, но и при использовании различных материалов барьера. Рисунок 4.2 – Вероятность появления разрядного тока относительно нарастания напряжения на разрядном промежутке (материал барьера – полиметилметакрилат) Наиболее однородный характер развития наносекундного барьерного разряда в миллиметровых воздушных промежутках был реализован при использовании в качестве материала барьера полиметилметакрилата.
Для наглядности на рисунках 4.4 и 4.5 показаны фотографии свечения в 2мм разрядном промежутке и соответствующие распределения яркости свечения разряда при использовании в качестве материала барьера алюмооксидной керамики и полиметилметакрилата.
Оптические данные разряда также показывают, что при частоте f = 3 кГц на фото свечения разряда видны выраженные плазменные каналы (рисунок 4.4).
Важно отметить, что данные оптической диагностики (рисунок 4.5) коррелируют с количеством перенесенного заряда в разрядном импульсе (рисунок 4.3), показывая, что контрагированному режиму наносекундного барьерного разряда соответствует меньшее количество перенесенного заряда по сравнению с объемным разрядом. Вместе с тем количество перенесенного заряда не может быть применено в качестве критерия степени однородности разряда.
Следует сказать, что любая задержка возникновения разрядного импульса всегда исчезает с увеличением частоты, что хорошо прослеживается при подаче на электроды пачек импульсов напряжения с эффективной частотой 500 кГц. На рисунках 4.6а, 4.6б и 4.6в представлены формы напряжения на электродах Vin и формы тока в цепи барьерного разряда It при использовании в качестве барьеров трех материалов: алюмооксидной керамики, полиметилметакрилата и кварца, соответственно. Как видно из осциллограмм токов, временная задержка возникновения разрядного тока различна в зависимости от материала барьера в первом импульсе из пачки. Наименьшая задержка наблюдается в случае, когда в качестве барьера используется алюмооксидная керамика (рисунок 4.6а).
Влияние прокачки воздушного промежутка на степень однородности наносекундного барьерного разряда в миллиметровых промежутках
Стабильный по времени возникновения относительно начала нарастания напряжения на разрядном промежутке объемный барьерный разряд при наличии прокачки был зарегистрирован при Vdg больше 10 кВ (рисунок 4.8), что соответствует перенапряженности электрического поля в разрядном промежутке по сравнению со статическим пробоем 25 %, и при напряжении Vdg 11 кВ и перенапряженности 37%, соответственно, в случае ее отсутствия.
На рисунке 4.9 представлено изменение концентрации электронов в разрядном промежутке Ne (1/см3) во время разрядного процесса при приложении к электродам разрядного промежутка 13 кВ и 15 кВ, соответственно. Концентрация электронов во время протекания барьерного разряда рассчитывалась по формуле: , (4.1) где o(t) - удельная проводимость плазмы, найденная на основании закона Ома из экспериментальных данных осциллограмм напряжения и тока барьерного разряда и из геометрических размеров разрядного промежутка, е 1,610-19 Кл - заряд электрона [113] и це = 592 см2/Вс - подвижность электрона в атмосферном воздухе [45]. При расчете не учитывались ионные токи в силу малой подвижности ионов по сравнению с подвижностью электронов. Поле в разрядном промежутке принималось однородным.
Как можно видеть из рисунка 4.9, при напряжении на источнике Vin = 13 кВ пиковая концентрация электронов в воздушном промежутке почти в 1,5 раза больше при использовании прокачки. При Vin 14 кВ, или Vdg 13 кВ, соответственно, ламинарная прокачка воздушного промежутка со скоростью 3,6 л/мин не оказывает существенного влияния на амплитуду разрядного импульса тока (рисунок 4.10), что связано с большой перенапряженностью поля в разрядном промежутке (более 60%) по сравнению с напряженностью пробоя статических воздушных промежутков.
Концентрация электронов в разрядном промежутке с прокачкой и без нее во время разрядного импульса На рисунке 4.10 приведены фотографии послесвечения наносекундного барьерного разряда и распределения яркости свечения в поперечном сечении разрядного промежутка в центральном слое (10 мкм), реализованного в разных условиях, при разных напряжениях на воздушном промежутке с прокачкой воздушного промежутка и без нее.
На кривых распределения яркости свечения в случае разряда без прокачки хорошо заметны пики на краях распределения (рисунок 4.10 – слева), что обусловлено неоднородностями электрического поля на краях электрода вследствие геометрических параметров разрядного промежутка. При включении прокачки (рисунок 4.10 – справа) становятся менее интенсивными пики яркости свечения на краях, а со стороны прокачки, которая осуществлялась через поперечное сечение воздушного газоразрядного промежутка слева направо, они полностью исчезают.
Таким образом, было установлено, что объемный наносекундный барьерный разряд может быть реализован в плоскопараллельных воздушных промежутках при атмосферном давлении в ламинарном газовом потоке при меньших напряжениях на разрядном промежутке.
Как показали эксперименты, при значительном превышении пробивной напряженности электрического поля в воздушном промежутке (более 60 %) прокачка газоразрядного промежутка со скоростью 3,6 л/мин заметного влияния на электрические характеристики разряда не оказывает. Однако степень однородности плазмы наносекундного барьерного разряда в газовом потоке выше благодаря подавлению эффектов, вызванных выпиранием электрического поля на краях в силу геометрии электродов. Рисунок 4.10 – Фотографии послесвечения наносекундного барьерного разряда и распределения яркости его свечения в поперечном сечении при разном напряжении на электродах в газовом потоке и без него. 4.3. Влияние высоты газоразрядного промежутка на развитие наносекундного барьерного разряда в миллиметровых воздушных промежутках атмосферного давления
К одним из основных параметров разрядного промежутка относится высота газоразрядного промежутка, но, тем не менее, вопрос о возможности существования объемной формы наносекундного барьерного разряда в миллиметровом диапазоне высот воздушных промежутков при атмосферном давлении исследовался мало.
Наиболее полно изучение наносекундного барьерного разряда в миллиметровых воздушных промежутках было приведено в работе ученых из Китайской академии наук [63], которые с помощью высокоскоростной фотографии со временем экспозиции 2 нс представили пошаговую съемку свечения в газоразрядных промежутках от 1 мм до 4 мм.
В работе они утверждают, что наносекундный барьерный разряд всегда начинает развиваться из центра, подобно тлеющему барьерному разряду при атмосферном давлении [114,115]; а его контракция начинается при увеличении высоты промежутка свыше 3 мм. Тем не менее, использование такого метода не позволяет проводить исследование развития наносекундного барьерного разряда во времени и пространстве с необходимой точностью.
Поэтому в настоящей диссертационной работе для изучения развития наносекундного барьерного разряда в плоских миллиметровых воздушных промежутках предлагается другой метод оценки пространственно-временной структуры разрядов, основанный на сравнении развития разрядных токов в разных объемах промежутка благодаря использованию кольцевого сегментированного электрода [116-119]. Использование кольцевого сегментированного электрода, факта малой подвижности заряда на поверхности диэлектрика [120,121] резистивных низкоиндуктивных датчиков тока, имеющих соответствующую полосу пропускания и высокочастотного цифрового четырехканального осциллографа позволяет провести оценку радиальной структуры наносекундного барьерного разряда в миллиметровых воздушных промежутках на основании сравнения разрядных токов в четырех областях воздушного промежутка с временным разрешением не хуже 150 – 200 пс [122].
Фотографии кольцевого сегментированного электрода и схема разрядного промежутка приведены на рисунках 4.11а и 4.11б. Как видно из рисунка 4.11а, сегментированный электрод представляет собой печатную плату из двухстороннего металлизированного текстолита, с одной стороны которой находится набор концентрических окружностей 1, 2, 3, 4 одинаковой площади с максимальным радиусом 15 мм, а с другой – металлизированный круг радиусом 15 мм для заземления с выделенными площадками для подключения датчиков тока через IPX-разъемы.
Верхний электрод (ВЭ) (рисунок 4.11б) также был выполнен из двухстороннего металлизированного текстолита, и представлял собой круг радиусом 15 мм. Оба электрода были покрыты пластинками из алюмооксидной керамики (АК), размеры которых приведены в таблице 2.1. Для предотвращения нежелательных разрядов в зазорах между электродами и барьерами был нанесен заполняющих их тонкий слой трансформаторного масла.
На электроды разрядного промежутка с частотой следования 30 Гц от твердотельного генератора, принцип работы которого описан во второй главе, подавались униполярные прямоугольные импульсы напряжения амплитудой 0 – 20 кВ, длительностью 600 нс, с временем нарастания и спада 40 нс (по уровню 10-90 %), что соответствовало скорости нарастания напряжения на электродах dV/dt = 250 В/нс.