Содержание к диссертации
Введение
1. Введение 7
1.1. Постановка задачи 7
1.2. Структура и объем диссертации 14
1.3. Основное содержание работы 16
2. Обзор литературы 18
2.1. Концепция стримера 18
2.2. Наблюдения электрического тока и излучения стримера 19
2.3. Современные экспериментальные и теоретические исследования 21
3. Теоретический фундамент метода диагностики 28
3.1. Метод спектрально-оптической диагностики стримерных разрядов и его
применение 28
3.1.1. Краткое описание результатов данного подраздела 28
3.1.1.1. Теоретические аспекты и подэтапы представленной работы 29
3.1.1.2. Общая схема исследований 31
3.1.2. Фундаментальные спектроскопические интегралы 31
3.1.3. Заселенности электронных состояний 35
3.1.3.1. Уравнения непрерывности для заселенностеи электронных состояний
и их решение 35
3.1.3.2. Аналитический вывод квазистационарных решений 37
3.1.4. Частоты и константы скоростей реакций 40
3.1.4.1. Набор основных частот и констант скоростей реакций 41
3.1.4.2. Уравнение Больцмана для электронов 43
3.1.4.3. Интегралы неупругих столкновений 45
3.1.4.4. Кинетические коэффициенты и скорости процессов 48
3.1.4.5. Сечения процессов 50
3.1.4.6. Метод численного решения 52
3.1.4.7. Консервативная по потоку конечно-разностная схема 56
3.1.4.8. Иллюстрация численных расчетов 59
3.1.5. Полуаналитическая модель динамики стримера 63
3.1.5.1. Набор уравнений модели 63
3.1.5.2. Аналитическая одномерная модель для стадии стационарного распространения стримера 66
3.1.5.3. Одномерный параметрический профиль приведенного электрического поля 69
3.1.5.4. Аксиально-симметричная полуторамерная (1.5D) параметрическая модель головки стримера 70
3.1.6. Верификация модели 72
3.1.6.1. Алгоритм и метод численных расчетов осевых профилей 72
3.1.6.2. Сравнение с результатами двумерного моделирования 73
3.1.7. Численные расчеты и анализ временных профилей излучения полос
азота 75
3.1.7.1. Экспрессный анализ профилей излучения и синхронного отношения Ri 75
3.1.7.2. Прямой расчет выходных импульсных сигналов 77
3.1.7.3. Влияние примеси излучения (2,5)-полосы ВПС к (0,0)-полосе ПОС 80
3.1.7.4. Использование альтернативного набора частот тушения 81
3.2. Вращательная структура полос излучения азота 91
3.2.1. Общие замечания 91
3.2.2. Единицы измерения и коэффициенты пересчета 92
3.2.3. Распределение заселенностей по вращательным подуровням 93
3.2.4. Вращательная структура полос второй положительной системы азота 96
3.2.5. Вращательная структура полос первой отрицательной системы азота 99
3.2.6. Щелевая функция 100
3.3. Теоретический фундамент для импульсов электрического тока 101
3.3.1. Краткий обзор существующих теорий измерения индуцированных стримером токов 101
3.3.2. Фундаментальные уравнения 102
3.3.3. Общая эквивалентная схема 103
3.3.4. Вывод основных соотношений 104
3.3.5. Краткие выводы 106
4. Экспериментальная установка и компоненты 108
4.1. Общая схема установки. Средства калибровки 10S
4.2. Компоненты ПО
4.2.1. Информационно-измерительная система на основе СРГ7 110
4.2.2. Разрядные камеры 111
4.2.3. Широкополосные усилители 114
4.2.4. Скоростные фотоумножители и фотодетекторы 117
4.3. Перечень общих технических характеристик измерительной системы 118
5. Экспериментальные исследования и результаты 132
5.1. Измерения электрического тока 133
5.1.1. Импульсы электрического тока, измеренные с помощью разрядной камеры типа Мароде 133
5.1.2. Импульсы электрического тока, измеренные с помощью разрядной камеры типа К.Кондо 135
5.1.3. Обсуждение 137
5.2. Спектрально-оптические исследования первичного стримера 143
5.2.1. Количество одновременно развивающихся в промежутке стримеров 143
5.2.2. Запуск и синхронизация 145
5.2.3. Осциллограммы выходных импульсных сигналов излучения полос азота 149
5.2.4. Вращательная структура полос ВПС и ПОС азота 162
5.2.5. Расчет спектральной щелевой функции 164
5.2.6. Учет аберраций 167
5.2.7. Оценка температуры газа в канале стримера 168
5.2.8. Отношение синхронных временных профилей интенсивностей полос ВПС и ПОС 175
5.2.9. Восстановленная пространственная структура излучения вдоль разрядного промежутка 176
5.2.10. Пространственно-временные характеристики первичного стримера 186
5.2.11. Эффекты стохастической нестабильности развития стримеров 198
6. Заключение 201
6.1. Краткий анализ и сводка результатов 201
6.2. Главные итоги и новизна полученных результатов 206
Список использованных источников
- Структура и объем диссертации
- Наблюдения электрического тока и излучения стримера
- Заселенности электронных состояний
- Информационно-измерительная система на основе СРГ7
Введение к работе
Актуальность темы определяется крупной научно-технической проблемой экспериментального и теоретического исследования электрических разрядов в газовых промежутках.
Стримерный разряд (стримерная стадия) является одной из важнейших начальных стадий полного или незавершенного электрического разряда в газах. В воздушных промежутках атмосферной плотности уединенный стример обладает, как правило, характерной нитевидной структурой, умеренной степенью ионизации нейтрального газа в канале в диапазоне 10"6+10"4 относительных единиц, высокими электрическими полями в области головки 400-5-800 Тд и высокими скоростями распространения (2-s-20)xl07 см/с. В резко-неоднородных полях под воздействием высоких импульсных напряжений с коротким фронтом стримерный разряд обычно развивается в виде сильно-разветвленной структуры, состоящей из отдельных нитевидных каналов. Эти свойства можно считать характерными для большого разнообразия электрических разрядов в длинных и коротких промежутках.
Стримерный разряд как одна из начальных стадий определяет характеристики газовой изоляции. Большое применение стримерный разряд находит в различных электроразрядных технологиях: в устройствах для очистки воздуха от оксидов серы и азота и от органических газообразных примесей, а также в устройствах для производства озона. Непрерывно возникают новые приложения стримерных разрядов как покоящейся окружающей среде, так и в движущейся. В последнее десятилетие большой интерес в мире возник к стримерным разрядам в связи с эффектами их воздействия на свойства течения окружающего газа в приложении к проблеме снижения аэродинамического сопротивления летательных аппаратов, снижения акустических шумов и др.
Для повышения качества работы и энергоэффективности технологических электроразрядных установок большое значение имеет более правильный выбор режимов горения разряда. Достаточно привести пример из области очистки топочных газов тепловых электростанций. В первых установках энергоэффективность газоочистки составляла около 700 эВ/мол, тогда как сегодня в лучших пилотных технологических образцах эта цифра снижена до 12-И5 эВ/мол. Если в первом случае для качественной очистки топочных газов до уровня ПДК требовалось затратить энергии больше, чем производила станция целиком, то во втором случае эта цифра составляет 2 3 % от мощности электростанции, что определят успешность метода в практических приложениях.
Все сказанное выше определяет значимость текущих и дальнейших экспериментальных исследований стримерных разрядов в целом.
Большой информативной значимостью обладают спектрально-оптические методы исследований структуры и физических параметров стримерных разрядов. Несмотря на систематические успехи в данной области исследований, полный объем полученных данных о стримерных разрядах еще далек от завершения. Успехи применения спектрально-оптических методов диагностики растут параллельно с углублением общетеоретического осмысления стримерных разрядов, с повышением возможностей численного моделирования с применением персональных компьютеров, с расширением и уточнением базы данных в смежных научных областях, а также с непрерывным совершенствованием средств измерений.
Неслучайно в последнее десятилетие появилось много работ, посвященных спектрально-оптической диагностике стримерных разрядов различных типов. В этих работах получено немало новых данных, а многие ранее известные данные и свойства получены и описаны на новом методическом уровне. При исследовании стримерных разрядов в коротких воздушных промежутках наибольшее развитие получили методы спектрально-оптической диагностики, основанные на измерении эмиссионных спектров полос первой отрицательной (ПОС) и второй положительной (ВПС) систем молекулярного азота. Настоящая работа посвящена дальнейшему развитию этого актуального направления исследований.
Целью данной работы является исследование физических параметров стримерного разряда в коротких воздушных промежутках спектрально-оптическим методом, основанным на измерении и анализе эмиссионных спектров (0,0)-полос первой отрицательной (ПОС) и второй положительной (ВПС) систем молекулярного азота.
Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи: 1. Создать экспериментальную установку для спектрально-оптической диагностики с применением высокоскоростных ФЭУ, обеспечивающую высокостабильные характеристики разряда с течением времени и обладающую высокими чувствительностью и пространственно-временным разрешением на уровне 0.2-Ю.8 не и 0.0Н0.1 мм. При сопоставимом пространственном разрешении и светосиле временное разрешение создаваемой установки должно превзойти в 10 20 раз временное разрешение, достигаемое в аналогичных установках. Это позволит впервые провести измерения световых сигналов с адекватным разрешением в отличие от прежних исследований, в которых длительность световых сигналов оказывалась в десятки раз больше, чем следовало из теоретических оценок.
2. Разработать метод спектрально-оптической диагностики стримерных разрядов, основанный на измерении абсолютных и относительных интенсивностей (АОИ) синхронизированных локальных временных профилей (0,0)-полос ПОС и ВПС азота. Методы АОИ, применяемые ранее для анализа световых сигналов, регистрируемых без адекватного пространственно-временного разрешения и синхронизации, не дают детальной информации, а также имеют большие погрешности и неоднозначность при восстановлении физических параметров стримера из результатов измерений световых сигналов. Кроме того, стандартный метод АОИ имеет принципиальный недостаток, обусловленный несовпадением максимумов сигналов различных полос азота, соответствующих различным физическим координатам распространяющихся фронтов.
3. Провести измерения локальных синхронизированных временных профилей излучения полос азота в абсолютных единицах целиком на протяжении разрядного промежутка при развитии положительной периодической стримерной короны постоянного тока (ППСКПТ) в высокостабильном предпробойном режиме ее горения в воздухе атмосферной плотности.
4. По результатам экспериментальных исследований определить двумерную структуру и физические параметры в головке первичного стримера, в первую очередь такие как: приведенное электрическое поле, концентрация электронов и радиус стримера.
Методы исследования;
Для решения поставленных задач использовались аналитические методы, положения теории электрического разряда в газах, численное моделирование с применением персональных компьютеров, методы экспериментальных исследований слабоионизованиой плазмы, техника оптической спектроскопии, методы и техника сверхбыстрых оптических и радиоизмерений.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые создана и использована экспериментальная установка для спектрально-оптической диагностики с применением высокоскоростных ФЭУ, обеспечивающая высокостабильные характеристики разряда с течением времени и обладающая рекордными чувствительностью и пространственно-временным разрешением на уровне 0.2-5-0.8 не и 0.01-Ю.1 мм в режиме регистрации однократных импульсов.
2. Впервые предложен метод синхронного отношения абсолютных временных профилей (0,0)-полос ВПС и ПОС азота, обобщающий традиционные методы АОИ для распространяющихся фронтов с высокими градиентами величин. Особенностью метода является измерение синхронизированных временных профилей излучения полос азота в абсолютных единицах с высоким временным и пространственным разрешением в продольном направлении (1L разрешением) вдоль оси разрядного промежутка. Данный диагностический метод, позволяющий восстановить прямым методом подгонки двумерную структуру головки стримера без проведения измерений с пространственным разрешением в радиальном направлении, основан на двух взаимосвязанных положениях, предложенных и реализованных впервые:
2.1. Полуаналитическая полуторамерная (1.5D) параметрическая гидродинамическая модель головки стримера в стадии стационарного распространения стримера в средней части промежутка, составляющая теоретическую основу метода диагностики в части описания свойств плазмы разряда. В рамках модели разработан соответствующий эффективный численный алгоритм для расчета пробных профилей излучения и физических параметров в головке стримера, позволяющий реализовать процедуру подгонки пробных теоретических профилей, рассчитанных прямым методом, к экспериментальным профилям.
2.2. Полная спектроскопическая методика регистрации и расчета эмиссионного излучения (0,0)-полос ВПС и ПОС распространяющихся стримерных разрядов, учитывающая характеристики всех компонент спектрально-оптического измерительного канала, включая пространственно-временное разрешение и разрешение по длинам волн. 3. Впервые проведены измерения синхронизированных абсолютных временных профилей (0,0)-полос ПОС и ВПС азота в первичном стримере ППСКПТ при атмосферной плотности, выполненные с адекватными синхронностью, пространственно-временным и спектральным разрешением в многофотонном режиме работы ФЭУ.
4. По результатам экспериментальных исследований впервые выполнена полная реконструкция двумерной структуры и определены физические параметры в головке первичного стримера, такие как: приведенное электрическое поле, концентрация электронов и его радиус.
Практическая значимость:
1. Созданная экспериментальная установка и метод диагностики могут использоваться как основа для дальнейших аналогичных исследований, обеспечивающих более высокий уровень достоверности результатов, чем ранее, применительно к более широкому классу электрических разрядов.
2. Практически реализовано и показано, что исследовательские установки для спектрально-оптической диагностики стримерных разрядов в воздухе атмосферной плотности классическим щелевым методом с пространственным разрешением в продольном направлении могут быть созданы на основе ФЭУ в многофотонном режиме, которые обеспечивают полностью адекватное пространственно-временное разрешение. Преимущество использования ФЭУ в многофотонном режиме по классической схеме перед другими способами состоит, прежде всего, в наивысшей достоверности при измерении формы импульсного сигнала, а также в наличии хорошо разработанного метрологического обеспечения для абсолютных измерений.
3. Экспериментальные результаты, полученные с адекватным пространственно-временным разрешением почти во всех точках разрядного промежутка, устанавливают, что длительности спектрально-оптических сигналов в полосах ПОС и ВПС азота составляют от долей до единиц наносекунд, что в 10- 20 раз короче, чем обычно фигурирует в научной литературе. Такие короткие длительности оптических сигналов даже без детального анализа показывают, что характерные геометрические размеры головки стримера составляют доли миллиметра.
4. Полученные результаты по измерению электрических полей и концентраций электронов в головке стримера подтверждают основные положения теории стримериого разряда в коротких воздушных промежутках.
5. Полный набор других экспериментальных результатов, включая измерения в приэлектродных областях, анализ которых в данной диссертационной работе был выполнен только качественно, могут служить опорными данными для верификации теорий стримерного разряда, в том числе основанных на моделях, учитывающих нелокальные и существенно нестационарные процессы в сильных электрических полях.
Положения, выносимые на защиту:
1. Параметры экспериментальной установки для спектрально-оптической диагностики на основе высокоскоростных ФЭУ, обеспечивающей рекордное пространственно-временное разрешение на уровне 0.2+0.8 не и 0.01+0.1 мм при адекватной светосиле в многофотонном режиме работы ФЭУ как при регистрации однократных импульсов, так и с накоплением.
2. Метод синхронного отношения абсолютных временных профилей (0,0)-полос ВПС и ПОС молекулярного азота, обобщающий традиционные методы АОИ и включающий две составные части:
2.1. Полуторамерная (1.5D) параметрическая гидродинамическая модель головки стримера в стадии стационарного распространения в средней части промежутка, а также соответствующий численный алгоритм для расчета пробных профилей излучения и физических параметров в головке стримера.
2.2. Полная спектроскопическая методика регистрации и расчета эмиссионного излучения (0,0)-полос ВПС и ПОС в абсолютных единицах.
3. Результаты измерений синхронизированных абсолютных временных профилей (0,0)-полос ПОС и ВПС азота в первичном стримере ППСКПТ при атмосферной плотности, выполненные при адекватной синхронности и пространственно-временном разрешении в многофотошюм режиме работы ФЭУ.
4. Результаты экспериментальных исследований в части двумерной структуры и физических параметров в головке первичного стримера, такие как: приведенное электрическое поле, концентрация электронов и радиус стримера. Личный вклад соискателя:
Из 20 работ, опубликованных по теме диссертации, 14 выполнены с соавторами и 6 без соавторов. Главная содержательная часть диссертационной работы, отраженная в указанных публикациях, выполнена в рамках самостоятельного подразделения 28.3 ВНИЦ ВЭИ (руководитель Ю.В.Щербаков) при выполнении конкурсного проекта МНТЦ №1123 (руководитель Ю.В.Щербаков). Все публикации и диссертация подготовлены на основе Заключительного отчета МНТЦ, а также материалов в стадии подготовки предложения по проекту и его выполнения. Целиком совпадающие цели и задачи настоящей диссертационной работы и проекта № 1123 были поставлены соискателем самостоятельно. Выполнение работы в целом осуществлялось под руководством соискателя.
Соискатель проводил исследования, готовил данные и тексты, формулировал выводы для статей [17,18] и докладов [2,3,5-7,9-12,14,16,20], опубликованных с соавторами. Примерный вклад и объем работ отражены в полном дополнительном списке опубликованных научных работ соискателя (всего 59 работ), посвященных исследованию электрических разрядов в коротких и длинных воздушных промежутках. Статьи и доклады [1,4,8,13,15,19] подготовлены и опубликованы соискателем самостоятельно без соавторов. Личный вклад соискателя в работы, опубликованные с соавторами, состоит в постановке и решении проблем, в планировании и разработке экспериментальных методик измерения и теоретических методов анализа полученных результатов, в проведении измерений и обработке экспериментальных результатов, в выполнении расчетов по существующим теориям, формулировке выводов, а также представлении докладов на конференциях. Соискатель полностью подготовил диссертацию, положения, которые выносятся на защиту и выводы. Таким образом, личный вклад автора диссертации в диссертационную работу и получение научных результатов, которые выносятся на защиту, является определяющим.
Апробация работы:
Основные положения работы докладывались и обсуждались на:
• международной конференции по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям -(CEIDP, Austin, Texas, USA: October 17-20,1999);
• Всероссийском электротех. конгрессе (М.: июнь/июль 28-03,1999);
• 8м международном симпозиуме «Электротехника 2010» (М.: май 23-27,2005); • двадцать седьмом Международном конгрессе по высокоскоростной фотографии и фотонике - (ICHSPP: Xi an, China, Sep 17-22,2006);
• на научно-техническом совете ГУП ВЭИ имени В.И.Ленина «Высоковольтная импульсная и преобразовательная техника»;
• на семинаре научного центра "Физики неравновесных систем" МФТИ.
Структура и объем диссертации
Из 20 работ, опубликованных по теме диссертации, 14 выполнены с соавторами и 6 без соавторов. Главная содержательная часть диссертационной работы, отраженная в указанных публикациях, выполнена в рамках самостоятельного подразделения 28.3 ВНИЦ ВЭИ (руководитель Ю.В.Щербаков) при выполнении конкурсного проекта МНТЦ №1123 (руководитель Ю.В.Щербаков). Все публикации и диссертация подготовлены на основе Заключительного отчета МНТЦ, а также материалов в стадии подготовки предложения по проекту и его выполнения. Целиком совпадающие цели и задачи настоящей диссертационной работы и проекта № 1123 были поставлены соискателем самостоятельно. Выполнение работы в целом осуществлялось под руководством соискателя.
Соискатель проводил исследования, готовил данные и тексты, формулировал выводы для статей [17,18] и докладов [2,3,5-7,9-12,14,16,20], опубликованных с соавторами. Примерный вклад и объем работ отражены в полном дополнительном списке опубликованных научных работ соискателя (всего 59 работ), посвященных исследованию электрических разрядов в коротких и длинных воздушных промежутках. Статьи и доклады [1,4,8,13,15,19] подготовлены и опубликованы соискателем самостоятельно без соавторов. Личный вклад соискателя в работы, опубликованные с соавторами, состоит в постановке и решении проблем, в планировании и разработке экспериментальных методик измерения и теоретических методов анализа полученных результатов, в проведении измерений и обработке экспериментальных результатов, в выполнении расчетов по существующим теориям, формулировке выводов, а также представлении докладов на конференциях. Соискатель полностью подготовил диссертацию, положения, которые выносятся на защиту и выводы. Таким образом, личный вклад автора диссертации в диссертационную работу и получение научных результатов, которые выносятся на защиту, является определяющим. Апробация работы:
Основные положения работы докладывались и обсуждались на: международной конференции по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям -(CEIDP, Austin, Texas, USA: October 17-20,1999); Всероссийском электротех. конгрессе (М.: июнь/июль 28-03,1999); 8м международном симпозиуме «Электротехника 2010» (М.: май 23-27,2005); двадцать седьмом Международном конгрессе по высокоскоростной фотографии и фотонике - (ICHSPP: Xi an, China, Sep 17-22,2006); на научно-техническом совете ГУП ВЭИ имени В.И.Ленина «Высоковольтная импульсная и преобразовательная техника»; на семинаре научного центра "Физики неравновесных систем" МФТИ.
Диссертация состоит из шести глав, включая введение и заключение, и списка литературы. Общий объем 220 страниц. Основная часть (главы 2, 3, 4, 5; всего 183 страницы) содержит 125 страниц машинописного текста, включая 5 таблиц, и 58 рисунков, содержащих 100 отдельных диаграмм на 58 страницах. Список литературы включает 164 наименования.
Во второй главе выполнен обзор литературных данных, освещающий основные этапы исследования стримерных разрядов в коротких воздушных промежутках, а также современное состояние исследований стримеров на основе прецизионных методов эмиссионной оптической спектроскопии. Обзор литературы подтверждает актуальность темы, а также дополнительно раскрывает цели и задачи диссертационной работы, описанные во введении.
В третьей главе разработан полностью самосогласованный метод диагностики стримерно-разрядной плазмы, основанный на анализе абсолютных интенсивностей второй положительной (ВПС) и первой отрицательной (ПОС) систем молекулярного азота. Теория метода объединяет спектроскопическую методику расчета временных профилей абсолютных интенсивностей (0,0)-полос ВПС и ПОС, а также самосогласованную полуаналитическую параметрическую аксиально-симметричную полуторамернуга (1.5D) модель головки нитевидного стримера.
Спектроскопическая методика учитывает характеристики всех компонент спектрально-оптического измерительного канала, включая пространственно-временное разрешение и разрешение по длинам волн. Также учитываются: хроматическая аберрация фокусирующей осветительной линзы, погрешности в настройке изображения объекта на входную щель, а также коррекция щелевой функции при неравномерном освещении вдоль ширины входной щели монохроматора.
Модель головки стримера характеризуется некоторым пробным согласованным допустимым осевым параметрическим профилем электрического поля в совокупности с профилями концентраций электронов и пространственного заряда, полностью согласованных друг с другом и с пробным электрическим полем. Дополнительно конструируется соответствующая двумерная (2D) конфигурация для поля и для концентрации электронов через специальные эллипсоподобные геодезические линии. Абсолютные величины и синхронное отношение временных профилей (0,0)-полос ВПС и ПОС, разрешенных во времени и в продольном направлении пространственно (1L-разрешение), отношение их амплитуд и полная мощность излучения обоих профилей были использованы для реконструкции 2D структуры головки стримера.
Наблюдения электрического тока и излучения стримера
Временные профили напряжения (импульсные сигналы, осциллограммы) Ux на выходе полного спектрально-оптического измерительного канала выражаются через полную мощность Уя света, проходящего за выходную щель монохроматора и поступающего на вход фотодетектора (в частности, фотоэлектронного умножителя, или ФЭУ) с анодной спектральной чувствительностью SaJ с помощью следующего соотношения: Ux=JxSatXkampRload, (Al) гДе катр и Rtoad коэффициент усиления и нагрузка (выходной импеданс) широкополосного усилителя, соответственно.
Все другие необходимые соотношения для аксиально-симметричной излучающей геометрии нитевидного стримера, оптическое изображение которого фокусируется на входную щель монохроматора, имеют следующий вид: где: Tx и Г, v оптическое пропускание (прозрачность) линзы объектива (включая также другие оптические элементы и монохроматора (спектрографа), соответственно; х, хы и хои1 координаты вдоль оси стримера, вдоль ширины входной и выходной щелей монохроматора, соответственно; dAJdl обратная дисперсия монохроматора; / координата длины волны, масштабированная с коэффициентом обратной дисперсии монохроматора; s0, sin и sM нормальная (или эффективная нормальная), входная и выходная ширины щелей монохроматора; so а аппаратная функция монохроматора (щелевая функция) (в выражении (А9) принята, например, в дифракционной форме как для уединенной монохроматической линий; О. и D/F угловая апертура и относительной отверстие монохроматора; N2J заселенности верхних электронных состояний молекулы азота; Рл и Рл „„,-, удельная спектральная яркость на единицу объема и единичное возбужденное состояние, соответственно; h постоянная Планка; v частота оптического перехода; Ал сила оптического перехода в пределах полной вращательной полосы; SXM нормированная спектральная плотность излучения во вращательной полосе молекулы; р радиальная координата в головке (канале) стримера относительно его оси; pf радиальная координата некоторой плоскости в пространстве объекта, изображение которой астигматически сфокусировано на входную щель монохроматора; w весовая апертурная функция.
Интегрирование по высоте входной и выходной щелей монохроматора не проводится, так как радиальный размер тонкого нитевидного стримера намного меньше, чем высота щелей, и таким образом, полное излучение из любого поперечного сечения стримера ограничивается только апертурой монохроматора. Выражения (А5)-(А6) описывают излучение с верхнего (возбужденного) уровня в пределах вращательной полосы в целом; причем спектральная функция излучения вращательной полосы молекулы SXM нормирована на единицу согласно (А7). Аппаратная щелевая функция монохроатора а также нормирована на единицу согласно (А8а) и принята, например, в дифракционной форме согласно (А8б). Весовая апертурная функция w\p,pf,x,xin) [70] учитывает апертуру объектива монохроматора, хроматическую аберрацию и астигматизм фокусирующей осветительной (входной) линзы, а также погрешности при фокусировке объекта на входную щель (см. также другие работы по основному содержанию диссертации [71-94]).
Здесь рассматриваются только равные входная и выходная щели: sin = sl)Ul = s. Для равномерно освещенной щели монохроматора Вх{хы)=Вх свертка реального вращательного спектра с щелевой аппаратной функцией дифракционного типа в выражении (А2) заменяется соответствующей величиной, полученной в результате экспериментальной калибровки (см. рисунок 39): h=T B,aeri{x0Ul)s . (А9а)
Для неравномерной освещенности Вх{хт) вдоль ширины входной щели нами сохраняется тот же вид полной мощности J х , как и в (А9а), но фактическое распределение освещенности заменяется ее средним значением по ширине щели Вл. В эксперименте этот случай соответствует нарастающей и спадающей во времени части исходного оптического сигнала, создаваемой изображением стримера на входной щели по мере его распространения вдоль оси разрядного промежутка. J L B aJxJs . (А9б)
Приблизительный расчет коэффициента anri при неравномерно освещенной входной щели монохроматора через коэффициент aeri при равномерном освещении входной щели выполняется на ЗВ/58-шаблоне, содержащем 3-точеченый шаблон по яркости (освещенности) и 5-точеченый шаблон для реального спектра [70] с помощью следующего соотношения:
Здесь полная ширина щели делится на три сегмента. Значения величин для освещенности и спектральной плотности выбираются в середине каждого сегмента. Каждый сегмент щели и участок спектра обозначается индексом от -2 до +2, т.е. -2,-1, 0, +1 и +2, учитывающим сдвиг относительно центрального сегмента реальной щели. Если спектр симметричен относительно некоторой центральной точки хом0, из выражения (А9в) следует, что а„гі(хш) = аегі(хш) даже при неравномерном по ширине освещении щели. Выражение (А9в) используется в тех случаях измерений, когда ширина щели s по крайней мере в три раза больше нормальной ширины щели, т.е. s 3s0.
Заселенности электронных состояний
Здесь приняты следующие обозначения: є - кинетическая энергия электронов, эВ; f(e) - функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), эВ"3/2; для удобства и сокращения записи опущен подстрочный индекс «О» у симметричной части ФРЭЭ; ре, те, ve - импульс, масса и скорость электрона; Т- температура нейтральных частиц, К; MN , CN , BN , &гп (є) и 0н"{є) - масса, мольная (парциальная) доля, величина вращательного кванта, транспортное сечение и сечение возбуждения вращательных степеней свободы при рассеянии электронов для молекулы азота Щ, соответственно; обозначения для кислорода Ог аналогичны, рисунок 1; ve(e) и ке(є) - частота и константа скорости упругих столкновений электронов с частицами среды; (пе)и - логарифмическая производная концентрации электронов по времени согласно обозначению (А13а); о роли этого фактора см. ниже; С CJV2 и Со интегралы неупругих столкновений электронов с молекулами: суммарный, с молекулами Ыг и Ог, соответственно (кроме вращательных переходов).
Величины Jp, Dp и Up имеют физический смысл «энергетического» кинетического потока электронов, коэффициента «энергетической» диффузии и направленной «энергетической» скорости вдоль оси в пространстве энергий электронов (или вдоль энергетической оси). Подстрочный индекс р добавлен для акцентирования принятой здесь энергетической нормировки согласно (В1) и множителя ре в левой части уравнения (ВО). Перемещение вдоль энергетической оси в положительном направлении равносильно приобретению энергии электронами, а в отрицательном направлении - ее потере.
В выражении (В5) для «энергетической» скорости Up стоит два слагаемых. Первое из них выражает потери электронов на упругие столкновения с молекулами азотно-кислородной смеси (далее по тексту не будем делать различия между азотно-кислородной смесью, воздухоподобной смесью и просто воздухом, так как все соотношения ориентированы именно на воздух, с которым были проведены реальные экспериментальные исследования). Второе слагаемое описывает потери электронов на возбуждение вращательных степеней свободы. Множители у і{є) и їТ(є) представляют собой константы скорости потерь энергии на упругие столкновения и возбуждение вращательных степеней свободы (вращательные потери). Вращательные потери учтены здесь аналогично упругим потерям благодаря малой величине вращательного кванта BN и исключены из общего интеграла неупругих столкновений.
В выражении (В4) для коэффициента «энергетической» диффузии Dp тоже имеется два члена. Первый их них принципиально важен. Он выражает ускорение частиц в электрическом поле и, соответственно, приобретение энергии между столкновениями. Величина этого члена пропорциональна квадрату приведенного электрического поля, выражая энергетические свойства набора энергии электронами в реальном газе с концентрацией N, и обратно пропорциональна константе скорости упругих столкновений электронов с частицами среды ке(є). Чем выше частота столкновений, тем быстрее электроны растрачивают запасаемую ими энергию. Второй член в выражении (В4) характеризует обмен энергии электронов с молекулами, совершающими тепловое движение.
Как показано ранее в работах [102-104], при электрических полях от 100 Тд и выше основной вклад в неупругие потери электронов обусловлен ионизацией и возбуждением электронных уровней. Колебательные потери превалируют в диапазоне полей от нескольких единиц до нескольких десятков таунсенд. А при еще более слабых электрических полях наиболее существенны упругие и вращательные потери. С этой точки зрения, для описания кинетических процессов в головке стримера, где действуют электрические поля на уровне сотен таунсенд, можно было бы оставить в уравнении Больцмана только члены, ответственные за ионизацию и электронное возбуждение. Однако во избежание накопления дополнительных методических ошибок в уравнении учтены все члены, в отношении которых имеется достоверная и надежная информация по результатам исследований других авторов.
Физический смысл членов с отрицательным знаком в интегралах столкновений заключается в том, что электроны убывают из данной энергетической точки, а с положительным знаком, - наоборот, прибывают. Таким образом, интегралы столкновений, связанные с возбуждением или девозбуждением, записаны в виде парных разностей двух членов при соответствующих энергиях.
В интегралах ионизации присутствует фактически три члена: один соответствует падающему ионизующему электрону с начальной энергией е,„, другой - рассеянному электрону с энергией es, а третий - ионизованному с энергией е-юп. Рассеянный и ионизованный электроны фактически неотличимы, но для однозначного учета обоих электронов принято, что энергия рассеянного электрона больше энергии ионизованного. Тогда в результате акта ионизации первый член выражения (В16) описывает приход электрона в энергетическую точку с энергией , и притом эту энергию приобретает рассеянный электрон. Второй член описывает также приход электрона в точку с энергией г, и притом эту энергию приобретает ионизованный электрон. Третий член описывает уход ионизующего электрона из энергетической точки с энергией е.
Точная форма дифференциального сечения Q\e,d) неоправданно сложна в приложении к подобным расчетам. В работах [102-104] показано, что ФРЭЭ и получаемые с ее помощью кинетические коэффициенты слабо зависят от выбора дифференциального сечения ионизации. Это позволяет использовать наиболее простое сечение ионизации, соответствующее случаю, когда один из двух вторичных электронов рождается с нулевой энергией, а другой уносит весь остаток первоначальной энергии ионизующего электрона за вычетом энергии ионизации
Информационно-измерительная система на основе СРГ7
Детально форма электродов, используемая в данной работе, изображена на рисунке 14. Точечный электрод (в реальном исполнении - игла) с радиусом острия около 0.1 мм, выступающий наружу из расположенного сзади полусферического электрода диаметром 10 мм используется для получения стабильной периодической стримерной короны. Такая конструкция обеспечивает очень высокое поле вблизи анодного острия, с одной стороны, и не очень неоднородное поле на протяжении всего промежутка, с другой. Полусферический катод диаметром 25 мм используется с тем, чтобы исключить препятствия при наблюдении непосредственно у катода, также чтобы обеспечить более точную локализацию головки стримера у катода. Длина выхода иглы из анода / и длина разрядного промежутка подбираются и устанавливаются в открытом состоянии камеры изнутри ее.
Все эксперименты были проведены с использованием тонкого катодного зондового электрода диаметром 1.5 мм, который устанавливался точно по оси тела катодного электрода, не касаясь тела катода. Обе тонкие вставки - анодная игла и катодный зонд -были изготовлены из металла, стойкого к коррозии (золото, платина). Некоторая часть экспериментов была выполнена с электродами из нержавеющей стали, которые обеспечивали более стабильную стримерную корону в течение первых двух-трех часов. Однако спустя указанное время кончики электродов становились полностью разрушенными электрической коррозией. Этот случай не подходит для продолжительных измерений.
Области существования положительной короны в разрядном промежутке зависят от соотношения длины выхода анодной иглы / и полной длины промежутка L. Наши эксперименты были проведены при длине промежутка 10 мм и длине выхода анодной иглы / около1-5-1.5 мм. При таких длинах стабильная пред-пробойная стримерная корона существует в диапазоне высокого напряжения постоянного тока от 11 до 12 кВ. Эт параметры обеспечивают условия, достаточно оптимальные как для инициирования стримера, так и для его распространения.
Длина выхода анодной иглы I является своеобразным параметром конфигурации поля в разрядном промежутке. При большей длине выхода электрическое поле на кончике иглы очень высокое, а поле в промежутке становится сильно неоднородным. Наоборот, при уменьшенной длине выхода поле вблизи кончика иглы становится меньше, а его неоднородность в промежутке тоже уменьшается. Для продвижения стримера вглубь промежутка необходимо менее неоднородное поле, хотя и область высокого поля у анода тоже необходима для инициирования стримера при пониженных напряжениях. Следовательно, скругленный анод с выступающей иглой наиболее всего подходит для создания стабильной стримернои короны в относительно широком диапазоне прикладываемых напряжений и длин разрядного промежутка.
Следует отметить, что подобные условия для развития стримера появляются при использовании анодного стержня диаметром 10 мм, заканчивающегося коническим острием, образующая которого около 60, а радиус закругления острия около 0.1 мм. Такую конфигурацию электродов можно использовать взамен описанного выше скругленного анода с выступающей иглой. Коническая конфигурация анодного электрода несколько легче для изготовления, чем скругленный анод с выступающей иглой, однако конический анод можно изготовить только из недорого материала по сравнению с золотом, например из нержавеющей стали.
Вторая разрядная камера, то есть камера типа Marode, предназначенная для прецизионных измерений электрических токов стримера, не обеспечена газо-выкуумными и оптическими принадлежностями. Измерения с помощью этого устройства были проведены в окружающем лабораторном атмосферном воздухе. Конструкция и детальная форма электродов в этом устройстве такая же, как и в камере типа Kondo, рисунок 14, за исключением того, что они немного по-другому присоединены к измерительной системе. Укороченное полусферическое тело катода непосредственно монтируется на корпус устройства (Е), рисунок 15а), при этом катодный зонд (D) подсоединяется через высокочастотный разъем к 50-омному коаксиальному кабелю. Полусферический анод с выступающей иглой подсоединен в точке (А) к центральному стержню би-коаксиальной системы около 500 мм длиной. Импеданс всех коаксиальных отрезков наполненного воздухом устройства, изготовленного из алюминия, равен 50 Ом. Такое устройство позволяет избежать появления большого количества импульсных помех и наводок, которые накладываются на регистрируемый ток в обычной некоаксиалыюй геометрии.
Объяснение принципа работы устройства, данное в работе Marode, представлено ниже со ссылками на схематическое изображение устройства на рисунке 15а) и его эквивалентную схему на рисунке 156). Когда переходный ток ia втекает в точку (А), появляются переходные потенциалы UAB И UBC на входе широкополосного делителя напряжения, образуемого волноводами Сі и Сг. Импульс UBC распространяется по Сг через (GH), (Ы) и (KL), откуда он затем поступает на вход высокоскоростного осциллограф. С другой стороны, переходная волна напряжения UAB распространяется внутри Си где она отражается в точке (FG). Возвратившись в точку (АВ), она больше не проходит в сечение (ВС), так как этот отраженный входит в разрядный промежуток через импеданс разрядной нити, который достаточно высок в сравнении с характеристическим импедансом коаксиального волновода Сг (50 Ом). Таким образом, это устройство представляет собой средство измерения на низковольтной стороне точной формы электрического тока, протекающего через высоковольтный электрод анода.
Широкополосные усилители были разработаны на основе современных западных и российских электронных компонентов, собраны вручную, настроены, используя стробоскопический осциллограф С9-9 (полоса пропускания 18 ГГц) и самодельный генератор импульсных сигналов.
Этот генератор имеет переходную характеристику около 100 пс при положительной полярности и 95 пс при отрицательной полярности по результатам измерений с помощью стробоскопического осциллографа в частотно-импульсном режиме. Для случая однократных импульсных сигналов переходная характеристика несколько лучше, чем в частотно-импульсном режиме. Учитывая переходную характеристику СРГ7 около 66 пс, переходную характеристику генератора можно оценить как 88+5 пс и 75+ш пс для положительной и отрицательной полярностей, соответственно
