Содержание к диссертации
Введение
Глава I Техника создания слаботочных газовых разрядов и методы их исследования 11
1.1 Условия и способы создания коронного разряда. Основные методы его исследования 11
1.2 Регистрация оптического излучения короны 16
1.3 Техника создания разряда в воздухе атмосферного давления в геометрии набор штырей - плоскость и экспериментальные методы исследования перехода отрицательной короны в стационарный тлеющий разряд 18
1.4 Схема экспериментальной установки для исследования динамики электронно - возбужденных состояний молекулярного азота в условиях квазистационарного самостоятельного тлеющего разряда (КСР) при средних давлениях. 21
1.4а Описание эксприментальнои техники создания квазистационарного самостоятельного тлеющего разряда (КСР) при средних давлениях 21
1.4b Регистрация оптического излучения электронно возбужденных молекул азота из положительного столба КСР 24
Глава II Нестационарные явления в отрицательной короне 27
2.1 Введение 27
2.2 Механизм формирования импульсов Тричела в отрицательной короне 31
2.3 Гистерезис колебательного режима. Безимпульсное развитие отрицательной короны 45
2.4 Динамика установления импульсного режима 48
2.5 Влияние геометрических и газодинамических факторов на параметры и область существования импульсов Тричела 53
2.6 Пульсирующий режим отрицательной короны в электроположительном газе N2
2.7 Выводы
ГЛАВА III. Переход отрицательной короны в воздухе в режим тлеющего разряда . 72
3.1 Введение 72
3.2 Вольт-амперная характеристика отрицательной короны и ее трансформация при переходе в режим тлеющего разряда 74
3.3 Эволюция радиального распределения тока и свечения короны в геометрии острие - плоскость 84
3.4 Эволюция продольной структуры отрицательной короны при ее переходе в режим тлеющего разряда 87
3.5 О переходе многоострийной отрицательной короны в x режим тлеющего разряда 87
3.6 Выводы 101
Заключение
Литература
- Техника создания разряда в воздухе атмосферного давления в геометрии набор штырей - плоскость и экспериментальные методы исследования перехода отрицательной короны в стационарный тлеющий разряд
- Регистрация оптического излучения электронно возбужденных молекул азота из положительного столба КСР
- Гистерезис колебательного режима. Безимпульсное развитие отрицательной короны
- Влияние геометрических и газодинамических факторов на параметры и область существования импульсов Тричела
Введение к работе
Неравновесная низкотемпературная плазма на протяжении многих десятилетий широко используется в различных областях науки и техники (газовые лазеры, плазмохимические реакторы, генераторы озона и т.д.). Для многих практических приложений представляет интерес создание неравновесной плазмы при атмосферном давлении. Например, в последнее время особенно остро стала проблема удаления вредных примесей (окислов азота и серы, соединений углеводородов и др.) из отходящих газов промышленных предприятий.
Основная проблема при разрушении низко концентрированных примесей, (т.е. с концентрацией загрязнителя меньше 0.1% по объему) - высокий уровень энергетических и финансовых затрат на создание и эксплуатацию систем газоочистки, основанных на традиционных принципах (термическое или каталитическое разложение, печи Клауса, адсорбция и т.д.), что приводит в итоге к нерентабельности основного производства. Таким образом, поддержание необходимой рентабельности производства и обеспечение его экологической безопасности делают разработку и внедрение новых принципов очистки отходящих газов весьма актуальной задачей.
В последнее время в России и других странах (США, Канада, Япония, Германия, Франция и др.) развивается новый подход к устранению вредных примесей в отходящих газах. Суть нетрадиционного подхода состоит в разрушении примесей экологически чистыми и сильными окислителями (главным образом, атомами кислорода О и гидроксильными радикалами ОН, а также их производными - озон, перекись водорода и др.), создаваемые непосредственно в потоках отходящих газов. Реализуется данный подход так называемыми электрофизическими методами, в которых используется неравновесная низкотемпературная плазма при атмосферном давлении. В мировой литературе эти методы называются "Non-thermal plasma methods".
Используемая в этих методах нетермическая плазма неравновесна в том смысле, что электроны сильно перегреты (примерно в 100 раз) по отношению к молекулам плазмообразующего газа. Перегретые электроны практически не изменяют кинетическую энергию молекул окружающего газа, но весьма эффективно возбуждают и диссоциируют молекулы кислорода и воды. Данное обстоятельство позволяет создавать высокую концентрацию необходимых радикалов в загрязненном потоке без заметного разогрева всей массы обрабатываемого газа, и тем самым проводить газоочистку малыми удельными энергозатратами. Электроны (или фотоны) с энергией,
достаточной для возбуждения, диссоциации и ионизации молекул очищаемого газа образуются либо за счет внешних источников, либо создаются источниками, размещенными в самом загрязненном потоке.
К настоящему времени разработано достаточно большое число способов создания неравновесной плазмы при атмосферном давлении. Из наиболее распространенных следует выделить барьерный разряд [1] и импульсную корону [ 2], в которых химически активная среда создается многочисленными стримерами. Указанные разряды являются нестационарными и сильно неоднородными в пространстве (т.е. каждый стример кратковременен, а объем газа, активируемый отдельным стримером, составляет очень малую часть от объема разрядной камеры).
Представляет интерес разработать физику и технику разряда, создающего стационарно и однородно неравновесную плазму при атмосферном давлении по всему объему межэлектродного промежутка. Такая задача решена в данной диссертационной работе с использованием многоострийной электродной системы. Указанная геометрия электродов близка (хотя и нетождественна) геометрии классического коронного разряда острие - плоскость. В таком случае начальной фазой разряда в использованной геометрии будет коронный разряд, который затем, как установлено в диссертации, переходит в тлеющий разряд. По этой причине в диссертации много внимания уделено исследованиям физических особенностей отрицательной короны как формы разряда, предшествующей тлеющему разряду при атмосферном давлении. Исследованы также и характеристики реализованного тлеющего разряда.
К моменту выполнения диссертационной работы было известно, что отрицательная корона в воздухе в области начальных токов нестационарна и существует в режиме периодических всплесков тока, амплитуда которых намного превышает величину среднего тока. Импульсы тока получили название импульсов Тричела, открывшего это явление в 1938 г [3]. Импульсный режим прекращается при увеличении среднего тока короны выше критического, характерная величина, которого соответствуюет 120 - 140 мкА. Относительно отрицательной короны в электроположительных газах существует мнение, что импульсно - периодический режим в таких газах отсутствует [4].
Многочисленными экспериментами было показано, что в покоящемся газе при токах около 250 - 350 мкА стационарная корона переходит в резко неоднородную и нестационарную форму газового разряда [4]. Никаких данных, говорящих о
возможности существования какой-либо другой формы разряда в токовом диапазоне между отрицательной короной и искрой к моменту выполнения работы не было.
Не было достаточной ясности и относительно физического механизма импульсов Тричела. Были только качественные соображения по поводу существенной роли электронных лавинных процессов у острия на стадии роста в импульсе [4, 5] и дрейфового выноса заряженных частиц из генерационной зоны после всплеска тока, т.к. вынос зарядов восстанавливал электрическое поле вблизи острия до уровня, обеспечивающего развитие нового поколения лавин и новый всплек тока [6].
Первая попытка количественного теоретического описания периодических импульсов Тричела принадлежит Morrow [7,8], но она была не совсем удачной. Автору удалось описать форму только первого импульса, после которого в расчетах ток апериодически выходил на стационарный уровень или затухал вовсе. Таким образом, к моменту выполнения работы существовало достаточно много "белых пятен" в физике газового разряда, которые и составили предмет исследования данной диссертации.
Хорошо известно, что электронно- и колебательно-возбужденные состояния азота играют существенную роль в зарядовой кинетике и плазменных химических реакциях, протекающих в низкотемпературной плазме. Например, высокая концентрация этих состояний приводит к увеличению скорости ионизации в объеме плазмы и также к разрушению некоторых вредных примесей в отходящих газах, обработанных разрядом. Метастабильные сотояния азота N2(A) участвуют в диссоциации кислорода:
N2(A) + 02 -> N2(X) + 0 + 0.
Моделирование неравновестной плазмы, содержащей азот, предполагает достоверное знание констант достаточно большого числа процессов, участвующих в динамике заселения и расселения электронных состояния N2. Однако до настоящего времени банк данных для такого сорта констант все еще не полон.
В этой связи большой интерес представляет экспериментальная информация о динамическом поведении колебательных уровней А, В, С состояний азота, заселенных через VV - VT процессы с участием электронно - возбужденных молекул азота. Такая ситуация может быть реализована в квазистационарном тлеющем разряде при средних давлениях и при невысоких уровнях вкладываемой в разряд мощности.
Динамические эксперименты на разрядной и постразрядной стадиях по регистрации излучения из отдельных колебательных состояний N2(A,B,C) также
составили предмет исследований данной диссертации. Сопоставление экспериментальных данных с расчетными позволили уточнить константы некоторых процессов, определяющих динамику возбужденных состояний азота. В частности, до выполнения данной диссертационной работы для процесса
N2(B,v) + N2(X,0) -> N2(X,0) + N2(X,0) для v = 0, 1 и 2, значения констант, взятые из разных источников, различаются на порядок.
В данной работе квазистационарный тлеющий разряд повышенного давления использовался для изучения динамики излучения полос Вегарда - Каплана, первой и второй положительной систем электронно-возбужденных состояний N2 в разрядной и пост - разрядной стадиях.
КСР удобен как объект исследования: соответствующим выбором геометрии электродов можно создать разряд, близкий по параметрам к одномерному, что существенно облегчает интерпретацию получаемых результатов.
КСР достаточно удобен для исследования различных элементарных процессов. Широкое варьирование параметров КСР в условиях его одномерности даёт возможность математического моделирования происходящих в нём процессов и выявления наиболее существенных из них с помощью сопоставления экспериментальных результатов с расчётными.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Каждая глава содержит обзор литературы по рассматриваемому вопросу, отражающий его современное состояние с указанием нерешенных физическим проблем. Далее следует постановка решаемой задачи, описание условий эксперимента, после чего излагаются результаты проведенных исследований и их обсуждение. Завершают каждую главу выводы, в которых кратко излагаются основные результаты проведенных исследований и следствия из них.
В первой главе содержится описание конструкций электродных систем, использованных автором для создания коронного и тлеющего разрядов. Представлены схема и описание экспериментальной установки, на которой проводилось исследование по изучению динамики излучения электронно-возбужденных состояний молекул азота.
Вторая глава содержит результаты исследований нестационарного режима отрицательной короны (импульсов Тричела). Прослежена динамика установления импульсного режима отрицательной короны при быстром включении напряжения. Определены параметры первого импульса (амплитуда, длительность, время задержки
от момента подачи напряжения) в зависимости от величины прикладываемого напряжения. Представлены результаты исследований влияния газодинамических и геометрических факторов на параметры и область существования импульсов Тричела. Проводится сравнение экспериментальных результатов с результатами численных расчетов в рамках нестационарной полуторамерной (1.5 D) модели, позволившее установить физический механизм колебательного режима отрицательной короны.
Третья глава содержит результаты исследований перехода отрицательной короны в режим тлеющего разряда для различных конфигураций межэлектродного промежутка. Описываются условия, при которых впервые реализован непрерывный переход коронного разряда в тлеющий. Установлено, что критический ток перехода зависит от размерности геометрии области растекания тока вблизи коронирующего электрода, увеличиваясь с ростом размерности. Показано, что значительное влияние на величину тока перехода оказывает величина скорости газового потока и размер межэлектродного промежутка. Проводится сравнение экспериментальных результатов с результатами численных расчетов по 1.5-мерной модели, позволившее установить механизм перехода короны в режим тлеющего разряда и вывести физический критерий для этого перехода.
В четвертой главе изложены результаты исследований по применению квазистационарного тлеющего разряда при средних давлениях (Р = 50 Тор) для исследования динамики излучения полос Вегарда - Каплана, первой и второй положительной систем электронно-возбужденных состояний N2 в разрядной и пост -разрядной стадиях.
Обнаружено, что излучение N2(A, В, С) состояний не монотонно по времени в условиях импульсного разряда с малой плотностью тока, длительность импульса тока -30 мкс - 500 мкс. Путем специальной математической обработки из полученных данных были рассчитаны населенности указанных возбужденных состояний. Разработана также кинетическая модель, описывающая динамику возбужденных состояний азота для условий эксперимента. Проведено сравнение экспериментальных и теоретических результатов.
В заключении кратко сформулированы основные выводы и результаты, полученные в диссертации, и их практическая ценность.
В диссертации представлено 80 рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 97 наименований.
Научная новизна исследований.
Впервые экспериментально обнаружено новое физическое явление - переход отрицательной короны в воздухе при атмосферном давлении в режим тлеющего разряда. В широком диапазоне экспериментальных условий изучена эволюция пространственной структуры и электрических характеристик отрицательной короны при ее переходе в тлеющий режим.
Разработана 1.5 - мерная численная модель, которая впервые позволила описать динамику установления импульсов Тричела в отрицательной короне, начиная от первого. Экспериментом и расчетом показано, что амплитуда первого импульса и заряд, переносимый им, растут с увеличением приложенного к короне напряжения, в то время как те же величины для установившихся импульсов практически не меняются (слабо уменьшаются).
Проведены экспериментальные исследования влияния геометрии растекания тока в генерационной и дрейфовой областях отрицательной короны на параметры и область существования импульсов Тричела. Установлено, что при изменении геометрических условий (ограничение поперечного сечения дрейфовой области, площади анода; использование сферической и плоской геометрии анода) происходят значительные изменения параметров (амплитуд и частот следования) импульсов Тричела и области существования, вплоть до их полного подавления. Впервые в области начальных токов отрицательной короны получен безимпульсный режим в электроотрицательном газе.
Впервые обнаружен гистерезис в области начальных токов отрицательной короны в электроположительном газе, т.е. существование короны при напряжениях, меньших напряжения ее зажигания. В области гистерезиса впервые обнаружен пульсирующий режим короны в азоте, аналогичный импульсам Тричела в воздухе.
Впервые получен комплект экспериментальных кинетических кривых излучения электронных состояний азота, заселенных через VT - VV процессы с участием электронно - возбужденных молекул, для большого интервала времени, начиная от момента инициирования разряда. Обнаружено, что в условиях квазистационарного тлеющего разряда (КСР) с невысоким уровнем мощности накачки динамика излучения N2(A, В, С) (A(v = 0, 1,2), B(v = 1 - 12), C(v = 0 - 4) состояний не монотонна во времени.
Измерены абсолютные интенсивности излучения в спектральных областях, соответствующих переходам системы Вегарда-Каплана, а также первой и второй
положительных систем азота. Полученные данные использованы при тестировании численной модели КСР, включающей подробную кинетику электронных состояний азота. Сравнением расчетных и экспериментальных кинетических кривых излучения удалось оценить вклад различных процессов в динамику состояний N2(A3+U,v), N2(B3ng,v) и N2(C3nu,v) и уточнить константы следующего процесса: N2(B,v) + N2(X,0) -» N2(X,0) + N2(X,0) для первых трех значений v (0, 1 и 2)
Защищаемые положения.
1. Результаты экспериментальных исследований перехода отрицательной короны в
тлеющий разряд в воздухе при атмосферном давлении:
а) Области существования двух форм разряда.
б) Эволюция поперечной и продольной структуры отрицательной короны с ростом
тока.
Результаты экспериментальных исследований влияния геометрии растекания тока в межэлектродном промежутке отрицательной короны на параметры импульсов Тричела (амплитуда, частота) и область их существования.
Результаты экспериментальных исследований явления гистерезиса для импульсов Тричела, связанного с направлением движения по вольт - амперной характеристике (ВАХ) отрицательной короны.
1.5 — мерная численная модель отрицательной короны в воздухе. Результаты численных расчетов импульсов Тричела на стадии их установления и в установившемся режиме.
Результаты экспериментальных исследований гистерезиса ВАХ отрицательной короны в азоте, проявляющегося в том, что в области начальных токов корона существует при напряжениях, меньших напряжения ее зажигания; результаты исследований токовых пульсаций в области гистерезиса.
Результаты экспериментальных и численных исследований динамики электронно -возбужденных состояний азота N2(A, В, С) с участием W - VT процессов.
Техника создания разряда в воздухе атмосферного давления в геометрии набор штырей - плоскость и экспериментальные методы исследования перехода отрицательной короны в стационарный тлеющий разряд
Электродная конфигурация набор штырей - плоскость (рис. 1.5) интересна тем, что в случае, когда расстояние между штырями d выбрано малым по сравнению с межэлектродным расстоянием сід-к, на большей части межэлектродного зазора параметры коронного разряда не зависят от поперечной (перпендикулярной к оси штырь - плоскость) координаты, что существенно облегчает математическое моделирование короны. В этом случае плотность тока в разрядном объеме намного увеличивается (примерно в 3 (CU-K /d) раз) по сравнению с геометрией острие -плоскость. Высокая плотность тока и большая плотность объемного заряда короны в данной электродной конфигурации при небольших токах, приходящихся на одно острие, позволяют наблюдать разрядные явления, которые труднореализуемы в других электродных конфигурациях. Эта электродная конструкция сравнительно легко масштабируется, что позволяет получать коронный разряд с высокой плотностью объемного заряда в больших пространственных областях. Данное обстоятельство делает электродную систему набор штырей - плоскость весьма привлекательной для практического использования коронного разряда. Основная сложность, возникающая при реальном использовании многоострийной электродной системы, заключается в неоднородном заполнении острий разрядом - корона возникает прежде всего на периферийных штырях. Указанная проблема решается за счет использования индивидуального балластирования каждого острия и применения газового потока. Если повышать ток и напряжение коронного разряда, то в отсутствие специальных мер стабилизации корона переходит в резко неоднородную форму разряда - искру при превышении током некоторого критического значения Jnop. Изготавливая электроды из специального резистивного материала и (или) используя прокачку газа через зону разряда, можно существенно повысить порог искрования разряда Jnop. В этом случае, как впервые установлено в настоящей работе, коронный разряд плавно (при атмосферном давлении) и скачкообразно (при пониженных давлениях) переходит в тлеющий. Оба указанных выше приема (использование резистивных электродов и прокачки газа) и их комбинация использовались в данной диссертации для получения стационарного тлеющего разряда при атмосферном давлении. Следует отметить, что в указанных конфигурациях электродов штыри являются катодами, а плоский электрод -анодам. Противоположная полярность электродов не позволяет получать стационарный тлеющий разряд при атмосферном давлении. В данной конструкции катод собирался из набора отдельных блоков (от 1 до 10). Каждый блок представляет собой набор из 52 штырей, изготовленных из нержавеющей стали, диаметром 0.5 мм, заостренных на конус с радиусом кривизны Re = 0.06 мм.
Эти штыри впрессованы в диэлектрическую вставку на площади 10 х 40 мм в четырех рядах по 13 штук с периодом d = 3.5 мм. Расстояние между вершинами штырей и анодной пластиной h = 5 — 20мм. Каждый катодный штырь нагружается на индивидуальное балластное сопротивление Re « 2 МОм. Анодная пластина соединена с высоковольтным источником через R = 0.2 MQ. Данная электродная система эффективно работает при высоких скоростях потока V 100 м/с и позволяет формировать стационарный тлеющий разряд атмосферного и сверхатмосферного давления с плотностью тока j = 10 15 мА/см , напряженностью электрического поля E/N = 80 - 100 Td и удельной плотностью мощности jE = 200 + 300 Вт/см3. Газоразрядная камера (ГРК) представляет собой канал прямоугольного сечения, изготовленный из оргстекла или стеклотекстолита. Длина канала вдоль направления потока газа определяет уровень энерговклада в газ, и в данных экспериментах варьировалась в пределах 5 + 50 см. Размеры камеры в направлении, перпендикулярном потоку, зависят от требуемого расхода газа, при этом величина межэлектродного расстояния лежала в пределах 0,5 + 2 см, а второй поперечный размер изменялся от 2 см до 20 см, обеспечивая расходы продуваемого газа до 300 м3/час. Данный уровень газовых расходов соответствует типичным значениям расходов пилотных установок, используемых на практике для проверки эффективности газоразрядных плазмохимических реакторов. Электрическое питание ГРК осуществляется от источника постоянного напряжения, величина которого регулируется в пределах U = 0 н- 35 кВ. Максимальный ток источника питания - 0,5 А. Квазистационарный самостоятельный тлеющий разряд повышенного давления создаётся с помощью так называемой " системы с двойным разрядом " [10, 11]. Электродная система состоит из секционированного анодного и катодного узлов размером 60 х 450 мм2 с профилем Роговского [12]. Расстояние анод - катод составляло 23 мм. Катодный узел (аналогичен [13]) перфорированный дюралевый электрод с отверстиями перфорации, диаметром 3 мм, расположеными на расстоянии 5 мм друг от друга, равномерно на площади 40 х 420 мм2. В эти отверстия заподлицо с дюралевым электродом плотно вставлены изолирующие керамические втулки, в которые заделаны медные штыри 0 1 мм. Торцы этих штырей являются элементами секционированных электродов (см. рис. 1.6).
Регистрация оптического излучения электронно возбужденных молекул азота из положительного столба КСР
В данной работе оптические методы применялись для исследования динамики излучения N2(A 3S+U), N2(B 3ng) и №(С 3Пи) электронно-возбужденных состояний во время разряда и в послесвечении. Оптическая схема представленной экспериментальной установки включает в себя дифрагму 40 х 10 мм на торце электродной системы для того, чтобы отсечь излучение из приэлектродных областей разряда; собирающую кварцевую линзу с фокусным расстоянием f = 112мм; двойной монохроматор МДР-6 с набором решеток для исследования различных областей спектра и ФЭУ-100. Излучение Вегарда-Каплана и второй положительной систем регистрировалось с ипользованием набора дифракционных решеток 2400штр/мм (обратная линейная дисперсия монохроматора 6.5 А/мм), для изучения первой положительной ставились решетки 1200штр/мм (обратная линейная дисперсия монохроматора 13 А/мм). Свечение из зоны разряда КСР выходит через торцевое окно камеры, фокусируется линзой на входную щель монохроматора, далее излучение определенного волнового диапазона регистрируется ФЭУ, сигнал с которого выводился на вход цифрового осциллографа С9-8. Второй канал осциллографа использовался для регистрации импульса разрядного тока. На рис. 1.10 представлена принципиальная схема ФЭУ-100. Сопротивление звена делителя R = 220 кОм. Напряжение питания U = 1.4 - 1.9 кВ (в зависимости от интенсивности излучения линий). Ток через делитель напряжения не превышал 700 мкА. Для того, чтобы ФЭУ работал в линейном режиме, сигнал, снимаемый с анода был не более 70 - 100 мкА. Для исключения возможных нарушений в работе ФЭУ при регистрации импульсных сигналов (рис. 4.8, 4.9) последние три каскада делителя шунтированы конденсаторами С = 4.7 нФ. Можно оценить допустимую длительность импульса анодного тока при амплитуде импульса на порядок превышающую ток через делитель. импульса. Прии « 100 В и I« 10 мА получаем из (1.1) х = 47 мкс. Ширина входной щели монохроматора варьировалась в диапазоне 50 мкм - 1 мм в зависимости от интенсивности излучения той или иной линии для того, чтобы оставаться в линейной области работы ФЭУ. Ширина выходной (2мм) щели обеспечивала захват излучения колебательно - возбужденного состояния вместе с вращательными секвенциями. Под короной понимается слаботочный разряд, возникающий при определенном напряжении между электродами с сильно отличающимися характерными размерами (штырь - плоскость, проволока - цилиндр и т.д.). За счет геометрических эффектов электрическое поле в промежутке резко неоднородно, так что ионизация газа и генерация потоков заряженных частиц происходит лишь в тонком слое вблизи электродов с большой кривизной, называемом генерационной зоной. Обычно падение напряжения на генерационной зоне заметно меньше общего напряжения между электродами. Поэтому во многих случаях при моделировании коронного разряда ограничиваются лишь описанием стационарной структуры и вольт-амперной характеристики дрейфовой зоны короны [14]. При этом опущенная генерационная зона (в общем случае нестационарная) учитывается в таких моделях как стационарное граничное условие на величину электрического поля у поверхности коронирующего электрода.
Такой подход не позволяет описать нестационарные явления, экспериментально наблюдаемые в коронном разряде. Так, Тричел в 1938 году [3] обнаружил, что в области начальных токов отрицательная корона в воздухе принципиально нестационарна и представляет собой установившуюся последовательность регулярных токовых импульсов короткой длительности. Эти токовые импульсы получили название импульсов Тричела. Необходимо отметить, что в многочисленных практических приложениях (электрофильтры, электросепарация, электрография и т.д.) отрицательная корона работает именно в режиме импульсов Тричела, поэтому повышение эффективности указанных технологий невозможно без исчерпывающего понимания физических процессов, приводящих к формированию токовых импульсов. Важнейшей особенностью токовых импульсов является малая длительность их переднего фронта (Тф » 1.5 не при атмосферном давлении), которая не зависит от радиуса коронирующего электрода и обратно пропорциональна давлению газа. Эта характеристика служит критическим тестом для любой теории, претендующей на объяснение механизма импульсов Тричела. Первая качественная модель импульсов Тричела была предложена Лебом в 1952 г. [4]. Согласно модели Леба, токовый импульс формируется за счет развития последовательности электронных лавин, при этом появление начальных электронов для последующих лавин обеспечивается фотоэмиссией с катода под действием фотонов, рожденных предыдущей лавиной. Приняв равным коэффициент фотоэмиссии ур = 5-Ю"5 и рассчитав количество ионов в одной лавине п; я 6-Ю4, Леб заключает, что от каждой лавины освобождается q = т; =3 фотоэлектронов. Видно, что число развивающихся лавин увеличивается по времени в геометрической прогрессии. Для того, чтобы общее число ионов, наработанных лавинами, совпало с экспериментально измеренным числом ионов в токовом импульсе ( 109), требуется прохождение десяти последовательных лавинных циклов. Леб считал, что электрическое поле вблизи катода остается неизменным в течение развития импульса, и время развития каждого лавинного цикла равно времени развития одной лавины. Время нарастания токового импульса Леба получается равным 10"8 с. Эта
Гистерезис колебательного режима. Безимпульсное развитие отрицательной короны
Как уже отмечалось в начале данной главы, пульсирующий режим отрицательной короны в области малых токов обусловлен тем, что начальное напряжение на генерационной зоне вблизи острия (т.е. напряжение в момент зажигания короны) всегда превышает напряжение на сформировавшемся катодном слое. Таким образом прикатодная область короны при начальных токах оказывается в перенапряженном режиме. Статическая вольт-амперная характеристика генерационной зоны отрицательной короны является падающей [29]. Поэтому с ростом среднего тока короны усредненное напряжение на генерационной зоне монотонно убывает, и при некотором токе короны генерационная зона переходит в стационарный катодный слой с нормальной плотностью тока [29]. Колебательный режим короны при этом сменяется стационарным. Вполне естественно предположить, что, при медленном обратном движении по вольт-амперной характеристике из «сильноточного» безимпульсного режима, импульсы Тричела в области малых токов могут отсутствовать, поскольку в этом случае напряжение на ионизационной области точно равно напряжению стационарного катодного слоя, сформированного в сильноточном режиме. Данное предположение является весьма важным для понимания физических причин существования колебательного режима отрицательной короны и потому подверглось тщательной экспериментальной проверке. На рис. 2.8 представлено характерное поведение вольт-амперной характеристики короны при подъеме и уменьшении напряжения. Видно, что при росте тока верхний предел существования колебаний Jup оказывается существенно выше, чем при уменьшении тока J0W из безимпульсного режима. Установлено, что петля гистерезиса уменьшается с увеличением межэлектродного расстояния и радиуса кривизны коронирующего электрода. Из рис. 2.8 можно определить напряжение горения короны при фиксированном токе при подъеме Uup и уменьшении напряжения Uiow. Очевидно, что величина (Uup - Uu) представляет собой разность между напряжением на нестационарной генерационной зоне и напряжением на сформировавшемся катодном слое, т.е. тот избыток напряжения, который освобождается при установлении катодного слоя. Уяснение физических причин существования импульсов Тричела позволило нам реализовать такие экспериментальные условия, в которых отрицательная корона развивается без колебательного режима. Для достижения этой цели катод основного коронного разряда включался в цепь вспомогательного коронного разряда. На рис. 2.9 представлена зависимость верхнего Jup и нижнего Jiow токовых пределов петли гистерезиса основного коронного разряда от величины тока вспомогательного разряда токовая граница области гистерезиса колебательного режима отрицательной короны как функции тока вспомогательного коронного разряда, гк = 0,07 мм. Основной разряд: hA.K = 8 мм.
Вспомогательный разряд: Ьд-к = 6 мм. Видно, что наличие вспомогательного разряда приводит к резкому уменьшению Jup основного разряда и при Jaux S 30 мкА достигается безимпульсное развитие главного коронного разряда, т.е. безимпульсное развитие отрицательной короны достигается при создании стационарного катодного слоя на острие за счет использования вспомогательного разряда. Следует также отметить, что безимпульсное развитие короны мы получили и в экспериментах с использованием анода малой площади, когда размер анода становится равным (или меньше) размера катода. Однако в этом случае коронируют оба электрода, т.е. отрицательная корона переходит в режим биполярной короны. Исследования динамики установления импульсов Тричела при подаче на электроды импульса напряжения варьируемой амплитуды несут важную информацию 0 механизме формирования колебательного режима отрицательной короны. Тем не менее, в литературе представлено сравнительно небольшое количество подобных исследований. В работах [20, 26] исследовалась динамика установления импульсов Тричела в кислороде при пониженном давлении (Р 100 Тор). Было обнаружено, что время установления периодического режима составляет 10-15 периодов, а амплитуда 1го импульса Тричела заметно превышает амплитуду импульсов в установившемся режиме. Следует отметить, что указанные эксперименты не являются достаточно "чистыми", потому что характерное время нарастания приложенного напряжения Тф » 1 мс, что значительно превышало период следования импульсов Тричела в установившемся режиме. Данное обстоятельство существенно влияет на динамику установления колебательного режима и затрудняет интерпретацию полученных результатов. В нашей работе [23, 24] проведены исследования динамики установления импульсного режима в воздухе при атмосферном давлении в разрядной геометрии штырь - плоскость. Межэлектродное расстояние варьировалось в пределах пд-к = 7н- 30 мм, радиус острия гк = 0,06 - - 1 мм. Влажность воздуха составляла 60% при температуре 15С. Для поддержания постоянного химического состава газовой смеси использовалась слабая прокачка. Время нарастания импульса напряжения составляло Тф « 100 не, балластное сопротивление внешней цепи Rg = 5 кОм. Параллельно с экспериментом проводились расчетно-теоретические исследования динамики установления импульсов Тричела. Численные расчеты проводились по 1.5 D модели, которая обсуждалась в п. 2.2, и были ориентированы на конкретные экспериментальные условия. Данные расчеты были выполнены И.В.Кочетовым. На рис. 2.10 а,б приведена последовательность первых четырех импульсов Тричела после подачи ступеньки напряжения Uo, полученных в эксперименте и при численном моделировании. На рис. 2.11 представлена зависимость амплитуды первого импульса Тричела от амплитуды напряжения при фиксированном радиусе катода и переменном межэлектродном расстоянии. В начальный момент времени после подачи напряжения в дрейфовой области короны нет отрицательного заряда, на котором впоследствии падает
Влияние геометрических и газодинамических факторов на параметры и область существования импульсов Тричела
Как было показано в п.2.2., при напряжении зажигания отрицательной короны удовлетворяется критерий самостоятельности газового разряда для генерационной зоны вблизи катода. Формирующийся в этом случае катодный слой оказывается в поднормальном режиме и не стабилизируется внешней дрейфовой областью короны. Происходит переход этого слоя в состояние, близкое к нормальному. Далее нормальный слой разрушается из-за экранировки поля отрицательным объемным зарядом. Дрейфовый вынос заряда вызывает новый пробой у острия. Указанный механизм является физической причиной возникновения колебательного режима отрицательной короны - импульсов Тричела. Амплитуда возникающих токовых импульсов определяется величиной высвобождаемого из генерационной зоны напряжения и площадью токового канала в объеме дрейфовой области и на аноде. В данном разделе представлены результаты экспериментальных исследований по воздействию как на величину напряжения на генерационной зоне, так и на геометрию растекания тока в межэлектродном промежутке отрицательной короны в сухом и комнатном воздухе с помощью геометрических и газодинамических факторов [27]. Одной из целей проводимых исследований была попытка получить безимпульсное развитие отрицательной короны. По физике такая ситуация возможна, т.к. легко показать, что стандартная система дрейфовых уравнений совместно с уравнением Пуассона допускает стационарное решение при напряжениях, превышающих напряжение зажигания короны. Влияние геометрических и газодинамических факторов исследовалось в разрядной геометрии штырь-плоскость. На рис. 2.15 приведена зависимость тока перехода отрицательной короны, горящей внутри диэлектрической (стеклянной) трубки, из колебательного режима в стационарный (ток исчезновения импульсов Тричела) в зависимости от диаметра стеклянной трубки при фиксированном радиусе катода Гк = 0,1 мм. Как видно из представленных результатов, ограничение поперечных размеров дрейфовой области и анода приводит к значительному сокращению токовой области существования колебательного режима. Когда диаметр трубки становится меньше 5 мм, то при заданном межэлектродном расстоянии Ьд.к = 10 мм реализовать коронный разряд не удается и происходит искровой пробой.
Следует отметить, что напряжение зажигания и горения короны значительно возрастает по мере уменьшения диаметра трубки. На рис. 2.16 представлены зависимости амплитуды импульсов Тричела от среднего тока для короны, горящей внутри диэлектрической трубки (кривые 1,2), короны с катодом, окруженном диэлектрическим экраном (кривая 3) и свободногорящей короны (кривая 4) при фиксированных радиусах катода гк = 0,1 мм и межэлектродном расстоянии Ьд-к = 10 мм. Из представленных результатов следует, что ограничение поперечного сечения дрейфовой области и анода приводит к существенному уменьшению амплитуды импульсов Тричела (кривые 1,2). Воздействие на генерационную зону (кривая 3) приводит к возрастанию амплитуды импульсов при малых токах и уменьшению амплитуды при больших токах. Влияние площади анода на параметры импульсов и область существования колебательного режима в отрицательной короне исследовалось при фиксированном размере анода га и варьировании межэлектродного расстояния Пд.к. Известно, что радиус токового канала на аноде Rw линейно увеличивается с ростом межэлектродного расстояния Ьд-к RW » tu-к [28], поэтому увеличение межэлектродного расстояния Ьд-к при фиксированном радиусе га равносильно уменьшению площади анода при фиксированном Ьд-к. Результаты данных исследований представлены на рис. 2.17 и 2.18. Видно, что параметр пд.к/га оказывает существенное влияние на амплитуду, частоту следования и область существования колебательного режима. Увеличивая Ьд-к/Га, можно существенно понижать верхнюю границу прекращения колебаний, однако получить на этом пути бесколебательное инициирование короны не удается -при превышении пд.к/Га 5 разряд сразу пробивается в искру. Отметим, что начальное напряжение и напряжение горения короны с ростом Ьд-к/Га заметно увеличивается по сравнению с короной, в которой размер анода га » Ьд-к Изменения в геометрии растекания тока вблизи коронирующего электрода реализовывались с помощью различных диэлектрических экранов, окружающих штырь. Установлено, что амплитуда импульсов Тричела сильно зависит от условий растекания тока вблизи коронирующего электрода (рис. 2.19). Влияние геометрии растекания тока в межэлектродном пространстве и на аноде на характеристики импульсов Тричела и область их существования исследовалось на примере короны со сферическим и плоским резистивным анодами. На рис. 2.20 приведены частотные характеристики колебательного режима для короны со сферическим и плоским металлическим анодом.
