Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы. 9
1.1. Анализ современного состояния исследований отрицательного коронного разряда. 9
1.2. Основные свойства и способы описания отрицательного коронного разряда. 22
1.2.1. Основные свойства отрицательного коронного разряда в конфигурации электродов острие-плоскость. 23
1.2.2. Гидродинамический подход в описании отрицательного коронного разряда. 26
1.2.3. Кинетический подход в описании отрицательного коронного разряда. 29
1.3. Импульсно-периодический режим (импульсы Тричела) как частный случай отрицательного коронного разряда. 31
2. Импульсно-периодический режим отрицательного коронного разряда. 41
2.1. Техника эксперимента и методики измерений параметров разряда. 41
2.1.1. Описание экспериментальной установки для создания отрицательного коронного разряда постоянного напряжения при атмосферном давлении. 42
2.1.2. Экспериментальные методы исследования коронного разряда. 47
2.2. Экспериментальные результаты исследований импульсно- периодического режима отрицательного коронного разряда. 52
2.2.1. Напряжение зажигания. 52
2.2.2. Особенности вольт-амперной характеристики разряда. 61
2.2.3. Частотные характеристики разряда. 69
2.2.4. Пространственное распределение потенциала. 82
3. Влияние геометрических и газодинамических факторов на параметры и область существования импульсно-периодического режима. 87
3.1. Влияние газодинамических факторов на основные параметры разряда и область существования. 87
3.2. Влияние геометрических факторов на параметры разряда. 103
Заключение. 118
- Основные свойства и способы описания отрицательного коронного разряда.
- Импульсно-периодический режим (импульсы Тричела) как частный случай отрицательного коронного разряда.
- Экспериментальные результаты исследований импульсно- периодического режима отрицательного коронного разряда.
- Пространственное распределение потенциала.
Введение к работе
Актуальность темы.
Коронный разряд по сравнению с тлеющим и дуговыми разрядами исследован относительно слабо. Однако, в связи с открытыми новыми явлениями и эффектами [15,16], представляющими интерес как с позиции фундаментальной науки, так и с практической точки зрения в последние годы наблюдается интенсификация исследований коронного разряда. Научный интерес обусловлен тем, что, одним из основных отличительных особенностей разряда является то, что отрицательная корона в воздухе в области начальных токов представляет собой установившуюся последовательность регулярных токовых импульсов (импульсов Тричела) [42], природа которых раскрыта не полностью. Кроме того, локализация высокоэнергетичной области плазмы вблизи отрицательно заряженного острия позволяет моделировать прикатодные процессы газовых разрядов. С практической точки зрения интерес к коронному разряду обусловлен тем, что он нашел и находит широкое применение при конструировании газоразрядных устройств основанных на отрицательном коронном разряде (электросепарация, плазмохимические реакторы, электропокраска, электрофильтрация и т.д.) [23].
Нужно отметить, что до сих пор нет общепризнанной теории явления, что свидетельствует о сложности процессов происходящих в коронном разряде. Поэтому, в настоящее время, идет процесс накопления экспериментальных данных в широком диапазоне изменения параметров разряда и развитие модельных представлений об основных процессах ответственных за существование разряда. Следует отметить, что исследования коронного разряда обычно проводятся в сложных (молекулярных) газах, когда количество элементарных процессов, которые необходимо учитывать при моделировании очень большое и по многим из них нет справочных данных [18].
В этой связи представляет интерес возбуждение и исследование отрицательного коронного разряда в простом (одноатомном) газе [22]. Это позволит, в будущем, построить достаточно строгую теоретическую модель явления. Однако в обычных условиях отрицательный коронный разряд в одноатомных газах не зажигается [8]. Причины этого до сих пор не выяснены. Между тем, реализация отрицательного коронного разряда в простых газах может открыть широкие перспективы его практического применения, например, диссоциация и разделение двухатомных молекул в процессах получения чистых веществ, выращивания пленок и т.п. [7].
Таким образом, исследования отрицательного коронного разряда в одноатомном газе (аргоне) являются актуальными как для развития физических представлений о явлении, так и для практических целей. Цель и задачи исследований.
Основная цель диссертации заключается в экспериментальном исследовании импульсно-периодического режима отрицательной короны постоянного напряжения при атмосферном давлении в потоке аргона, и явлений его сопровождающих.
В диссертации ставились следующие основные задачи:
Исследование физических условий возникновения и существования импульсно-периодического режима отрицательного коронного разряда в электроположительном атомарном газе (аргоне).
Исследование пространственного распределения электрического поля в разрядном промежутке и временных зависимостей основных характеристик импульсно-периодического режима отрицательного коронного разряда.
Исследование влияния газодинамических факторов на параметры и область существования импульсно-периодического режима отрицательного коронного разряда.
Исследование влияния геометрических факторов на основные характеристики импульсно-периодического режима и область существования разряда.
Научная новизна.
Впервые экспериментально реализован импульсно-периодический режим (импульсы Тричела) отрицательного коронного разряда постоянного напряжения в чистом электроположительном атомарном газе - аргоне. Проведены исследования токовой области существования и амплитудно- частотных характеристик импульсно-периодического режима в аргоне.
Впервые обнаружен гистерезис в области начальных токов отрицательной короны в аргоне, т.е. существование короны при напряжениях, меньших напряжения ее зажигания.
Экспериментально установлено, что свечение в прикатодной области отрицательного коронного разряда в импульсно-периодическом режиме в аргоне локализовано в нестационарном катодном пятне, возникающем в окрестности вершины коронирующего острия.
Установлена зависимость параметров импульсно-периодического режима отрицательной короны от расхода газа, что свидетельствует о влиянии процессов в диффузионно-дрейфовой зоне на параметры разряда.
Впервые экспериментально обнаружено новое физическое явление - переход отрицательной короны в аргоне при атмосферном давлении в режим стационарного разряда без импульсов тока, идентифицируемого в литературе как тлеющий разряд атмосферного давления. Изучена эволюция пространственной структуры и электрических характеристик отрицательной короны при ее переходе в тлеющий режим.
Результаты экспериментальных исследований гистерезиса вольт-амперной характеристики отрицательной короны в потоке аргона, проявляющегося в том, что в области начальных токов корона существует при напряжениях, меньших напряжения ее зажигания.
Установлено существование импульсно-периодического режима отрицательной короны в потоке электроположительного атомарного газа - аргона,
Результаты экспериментальных исследований влияния геометрических и газодинамических факторов на параметры и область существования разряда.
Результаты экспериментальных исследований перехода импульсно- периодического режима отрицательной короны в аргоне в режим стационарного разряда, идентифицируемого как тлеющий разряд атмосферного давления:
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при конструировании газоразрядных устройств на основе отрицательного коронного разряда (электросепарация, плазмохимические реакторы, электропокраска, электрофильтрация и т.д.) и выборе оптимальных условий его поддержания, обеспечивающих более высокие пороги для развития искры.
Реализация в одной и той же электродной системе отрицательного коронного разряда и тлеющего разряда при атмосферном давлении представляет значительный интерес для практики с точки зрения расширения функциональных возможностей устройств, основанных на слаботочных разрядах, снижения их весогабаритных и стоимостных показателей.
Защищаемые положения.
который аналогичен известным импульсам Тричела в воздухе. Импульсы тока носят регулярный характер, и длительность импульсов тока лежит в миллисекундном диапазоне.
а) существования двух форм разряда;
б) эволюция пространственной структуры и электрических характеристик отрицательной короны с ростом тока.
Практическая значимость.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных, российских и региональных конференциях: I Международной научной конференции «Молекулярная биология, химия и физика неравновесных систем» (Иваново-Плес, 2002 г.); III Международной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2002 г.); Всероссийской конференции с международным участием «Научные чтения, посвященные 70-летию со дня рождения члена- корреспондента АН СССР М.В. Мохосоева» (Улан-Удэ, 2002 г.); IX Международном симпозиуме «Высокочистые металлические и полупроводниковые материалы» (Харьков, 2003 г.); IX Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург-Красноярск, 2003 г.); II Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии» (Улан-Удэ, 2003 г.); III Научной конференции по фундаментальным и прикладным проблемам физики (Улан-Удэ, 2004 г.); II Международной научной конференции «Возобновляемые источники энергии для устойчивого развития Байкальского региона» (Улан-Удэ, 2004 г.); IV Международной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2004 г.); Научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГТУ (Улан-Удэ, 2002-2004 гг.).
Основные свойства и способы описания отрицательного коронного разряда.
Отрицательная диффузная корона между катодом в форме острия и анодной плоскостью в течение длительного времени является объектом многочисленных исследований. Токовый канал короны в указанной геометрии является аксиально-симметричным и резко расширяется при удалении от острия, так что в анодной плоскости его характерный радиус приблизительно равен расстоянию между электродами. К настоящему времени разработано достаточно большое число математических методов расчета усредненной во времени вольт-амперной характеристики отрицательной короны в геометрии острие-плоскость, обзор которых изложен в работе [23]. Эти методы основаны на весьма упрощенных физических представлениях о структуре отрицательной короны в воздухе. Наибольшую неудовлетворенность в указанных методах вызывает допущение о том, что граница стационарной дрейфовой области расположена практически на поверхности коронирующего острия. Дело в том, что в реальности отрицательная корона характеризуется регулярными токовыми импульсами, и поэтому заметный вклад в полный ток вносит ток смещения [73,74]. Действительно, динамические расчеты отрицательной короны в геометрии острие- плоскость с использованием 2-мерной модели [74] показали, что в импульсно- периодическом режиме граница квазистационарной дрейфовой области находится на довольно большом расстоянии от острия, заметно превышающем его радиус. Сопоставление результатов полученных в работах [23,75,43], приведенных аппроксимаций для токов при одинаковых напряжениях и и межэлектродных промежутках (1 показывает их количественное отличие, достигающее порядка величины в зависимости от длины промежутка. Однако причины расхождений аппроксимаций обусловлены не столько различием диапазонов токов и межэлектродных расстояний, для которых они предложены, сколько наличием неконтролируемых изменений форм токовой трубки коронного разряда [73,76]. Следует отметить еще один важный момент в исследовании отрицательного коронного разряда в данной конфигурации электродов. Именно, исследование отрицательной короны в конфигурации электродов острие-плоскость в работе [16,20], позволило впервые обнаружить импульсно-периодический режим в электроположительном газе (азоте).
Установлены динамические характеристики токовых импульсов и проведены детальные сравнения формы и параметров токовых импульсов в азоте и в воздухе (см. п. 1.3). В литературе отсутствуют экспериментальные данные о характеристиках импульсно-периодического режима (импульсы Тричела) отрицательной короны в аргоне при атмосферном давлении. Можно отметить работу [77], в которой реализован метод получения информации о скорости дрейфа электронов из измерений тока коронного разряда. В работе исследуется отрицательный коронный разряд с тонкого острия в плотном газе (10 и 40 атм) в условиях, когда ток разряда достигает 300 мкА и носителями заряда являются электроны. Из измеренных значений тока как функции приложенного напряжения извлекались данные по подвижности ионов (И) как функции плотности газа. Поле в межэлектродном промежутке искажается пространственным зарядом [78], и ток коронного разряда I пропорционален квадрату напряжения и с коэффициентом, зависящим от подвижности ионов. В результате исследований получено выражение 1(11) для случая электронной подвижности, обратно пропорциональной напряженности электрического поля (постоянная скорость дрейфа V горячих электронов). Это выражение использовано для определения величины скорости дрейфа V в аргоне и азоте. Исследованию свойств диффузных каналов в аргоне посвящена работа [79]. Здесь разряд зажигался в конфигурации электродов острие-плоскость, обеспечивающей жесткую привязку канала. Характеристики плазмы регистрировались методом оборванного разряда в интервале 50-500 не. Разряд в данной геометрии имеет две характерные зоны: сгусток прикатодной плазмы, сосредоточенной вблизи острия и область положительного столба в основной части промежутка. В сформированном разряде положительный столб имеет линейное распределение потенциала по его оси. Свечение столба имеет однородный характер, а его спектр близок к спектру тлеющего разряда. Экспериментальное и теоретическое исследование динамики микроструктуры сильноточного диффузного разряда в аргоне проведено в [80] для промежутка острие-плоскость. Установлено, что на начальном отрезке времени 50 не плотность электронов в разряде имеет хорошую пространственную однородность с небольшими возмущениями 10% относительно ее среднего значения. Обнаружено, что спустя 100 не в столбе начинают возникать неоднородности в микроструктуре в виде множества тонких нитей с поперечным размером 100 мкм, которые со временем усиливаются. Через 600 не происходит газодинамическое расширение столба и возникающие возмущения исчезают. Проведено численное моделирование плазмы сильноточного диффузного разряда. Полученные в работе результаты имеют хорошее согласие с экспериментом по ЕЛМ, концентрации электронов и времени развития микроструктуры. 1.2.2. Газодинамический подход в описании отрицательного коронного разряда. Одним из новых направлений в изучении коронного разряда является исследование его характеристик в потоке газа, что имеет большое практическое значение в связи с разработкой различных электрогазодинамических (ЭГД) устройств. В практических приложениях электрогазодинамики (электрофильтры, электросепараторы, плазмохимические реакторы и др.), а также при проведении ЭГД исследований (молние-грозо-защита летательных аппаратов, наличие высокотемпературных двигательных струй) широко используются устройства, в основе которых лежит коронный разряд - классический объект исследований многих поколений физиков. Однако в большинстве теоретических и экспериментальных исследований коронного разряда газовая среда предполагается неподвижной.
Особенности коронного разряда при его обдуве стали изучаться недавно [81,82,26]. В этих работах получены обобщенные вольт-амперные характеристики при наличии обдува, изучено влияние газодинамического потока на потенциал зажигания [81,82,26], найдены решения одномерных и двумерных электродинамических уравнений и созданы электрогазодинамические (ЭГД) устройства, основанные на эффекте обдува коронного разряда [82,26]. Теоретические исследования коронного разряда в потоке немногочисленны. В первую очередь даны некоторые обобщения из известных условий самостоятельности коронного разряда на случай переменных термодинамических параметров газа вдоль поверхности коронирующего электрода [83,84]. Построены решения ряда задач об ЭГД-течении во внешней зоне разряда при использовании эффективного граничного условия на поверхности электрода [85]. Исследования влияния газодинамического течения на характеристики генерационной зоны разряда в настоящее время малочисленны. В [86] развита общая математическая теория генерационной зоны отрицательной короны. Указаны условия, при которых электрическое поле на поверхности коронирующего электрода при горящем разряде не зависит от его перенапряжения и равно полю Екр зажигания разряда. Для этого поля (важнейшей характеристики коронного разряда) в случае достаточно малой толщины зоны ионизации получено общее выражение, справедливое при произвольной геометрии коронирующего электрода. В построенной теории влияние среды на Екр учитывается посредством зависимости Екр от плотности среды на точке острия коронирующего электрода. Важной особенностью отрицательной короны является его дискретная структура, когда ионы в межэлектродном промежутке движутся в виде отдельных импульсов и электрический ток прерывается с определенной частотой (частотой Тричела) [1]. Этот эффект обусловлен периодической экранировкой коронирующего электрода заряженными частицами разряда. Авторы работы [87] предложили и численно реализовали новую модель дискретной структуры разряда, основанную на анализе движения отдельных сгустков, которые первоначально "отрываются" от электрода в виде бесконечно тонких слоев поверхностного заряда. Экспериментальное исследование частотных характеристик коронного разряда, предложенное в [88] показало, что ток коронного разряда и частоты Тричела растут с увеличением скорости обдува разряда, однако их соотношение (равное среднему значению заряда одного "сгустка" ионов) остается постоянным.
Импульсно-периодический режим (импульсы Тричела) как частный случай отрицательного коронного разряда.
В 1938 году Тричел [42] обнаружил, что отрицательная корона в воздухе в области начальных токов принципиально нестационарна и представляет собой установившуюся последовательность регулярных токовых импульсов короткой длительности. Эти токовые импульсы получили название импульсов Тричела. Первая количественная модель импульсов Тричела была предложена Лебом в 1952 г. [2]. 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. 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 величина совпадала с измеренной в 50-е годы длительностью переднего фронта импульсов Тричела, однако последующее развитие широкополосной измерительной техники показало, что истинное значение Тф существенно (примерно на порядок) меньше. Более реалистичной по физическому содержанию является модель, предложенная Александровым [100]. Согласно этой модели, вторичные лавины формируются и развиваются не последовательно с главными, а параллельно, как только число электронов в развивающейся лавине превосходит п0, определяемое условием самоподдержания разряда. В качестве вторичного механизма, обеспечивающего положительную обратную связь, так же как в модели Леба, предполагается фотоэмиссия электронов с катода. Процесс формирования переднего фронта токового импульса в данной модели состоит из двух стадий. Существование двух фаз развития токового импульса было позднее подтверждено экспериментально в работах [101,102]. Однако время нарастания переднего фронта (длительность второй стадии) в пределах 0,1-0,9 от амплитуды импульса в расчетах Александрова заметно отличалось от экспериментально наблюдаемого времени тф, особенно для катодов с большим радиусом. Кроме того, ограничение тока по амплитуде Александров объясняет накоплением объемного заряда отрицательных ионов на границе ионизационной зоны и уменьшением вследствие этого области повышенных электрических полей. Между тем в работах [16,21] показано, что токовые импульсы в области начальных токов короны существуют и в электроположительном газе.
Данная модель не в состоянии также объяснить сложную структуру [103] (наличие пика или плато) переднего фронта импульса. Все это свидетельствует о том, что модель Александрова, верно отражая некоторые существенные моменты в развитии импульсов Тричела (наличие двух фаз развития, эффекты искажения электрического поля пространственным зарядом), не в состоянии адекватно описывать это интересное физическое явление. В 1985 г. появилась теоретическая модель [44], которая по своему физическому содержанию близка к модели Александрова, за исключением оценки решающей роли отрицательных ионов в механизме формирования импульса. Автору удалось описать простую форму первого импульса Тричела (без плато на переднем фронте), привлекая в качестве вторичных процессов только фотоэмиссию электронов на катоде. Логическим следствием из этой теории был вывод о том, что амплитуда импульса тока должна увеличиваться с ростом коэффициента эмиссии ур. Экспериментально проверка этого вывода проводилась в работах [104,105], в которых использовались специально обработанные катоды, имеющие аномально высокие и аномально низкие коэффициенты фотоэмиссии, а также газы со специальными добавками, эффективно тушащими возбужденные молекулы, т.е. препятствующими производству фотонов. Эксперименты показали, что вывод о решающем влиянии фотоэмиссии с катода на амплитуду импульса не соответствует действительности. В последующей работе [45] автор объясняет сложную форму (наличие пика или плато) переднего фронта импульса, привлекая, помимо фотоэмиссии, и эмиссию электронов под действием положительных ионов, а именно: первый пик тока на переднем фронте объясняется действием фотоэмиссии, в то время как второй всплеск тока происходит тогда, когда к катоду подходят положительные ионы, возникшие в том же самом месте и тоже время, что и фотоны, и производят выбивание электронов с катода. Помимо процессов фотоэмиссии и эмиссии электронов под действием положительных ионов для объяснения быстрого роста и сложной формы переднего фронта импульсов Тричела привлекаются процессы автоэмиссии и взрывной эмиссии [106,107]. Экспериментальные исследования импульсов Тричела показывают, что сложная форма переднего фронта наблюдается чаще всего при невысоких давлениях газа и сравнительно больших радиусах коронирующего электрода, в то время как при атмосферном давлении и малых радиусах катода плато на переднем фронте импульса Тричела не наблюдается. Эти экспериментальные наблюдения свидетельствуют против участия процессов автоэмиссии в формировании импульсов Три- чела. Распространение катодонаправленной ионизационной волны приводит к резкому сокращению длины ионизационной области, уменьшению напряжения на этой области и к увеличению напряженности электрического поля на катоде. Экспериментальные подтверждения существования катодонаправленной волны ионизации получены в работе [108], в которой проводились оптические исследования короны в воздухе при малом давлении (Р = 20 Тор). В экспериментах по исследованию короны атмосферного давления с помощью высокочувствительных микрофонов было обнаружено, что импульсы Тричела вызывают образование ударных газодинамических волн, что указывает на существование быстрых (взрывных) процессов в механизме формирования импульсов Тричела. В численных расчетах [44,45] также наблюдалось быстрое сжатие ионизационной области.
В [36-39] показано, что поперечный размер генерационной зоны очень мал - на поверхности острия ток отрицательной короны собирается в катодное пятно типа тлеющего с характерным радиусом в несколько десятков микрон, в то время как на аноде ток распределяется в соответствии с законом Варбурга [109] по очень большой площади с характерным радиусом порядка межэлектродного расстояния. В таком случае плотности тока на катоде и на аноде могут отличаться более чем в 104 раз. Именно учет этого обстоятельства (резкого расширения токовой трубки от катода к аноду) является решающим фактором для получения в теории и численном расчете периодической последовательности импульсов тока. Характеристики этих импульсов хорошо согласуются с экспериментом [110,111,112,74]. Принципиальное значение имеет обнаруженное явление гистерезиса импульсов Тричела, когда граница (по току) исчезновения импульсов Тричела при увеличении напряжения существенно превышает границу их появления при уменьшении напряжения, а также возможность без- импульсного развития отрицательной короны. В литературе отсутствуют экспериментальные и теоретические данные об импульсно-периодическом режиме отрицательной короны в аргоне. Но появившаяся недавно работа [16], опровергая утверждения, сделанные во многих более ранних работах [113,8], впервые продемонстрировала, что импульсно- периодический режим может быть реализован и в электроположительных газах. В [16] реализован импульсно-периодический режим отрицательной короны в азоте в геометрии острие-плоскость, исследованы его динамические характеристики и проведено их сравнение с импульсами Тричела для короны в аналогичных условиях в воздухе. Типичная длительность заднего фронта у импульсов Тричела в воздухе порядка 100 не, за которые ток спадает до величины 1-3 мкА. Длительность заднего фронта у токовых импульсов в азоте лежит в мил- лисекундном диапазоне. Так, при среднем токе короны I = 10 мкА период Т у импульсов Тричела в воздухе равен 6 мке, а у импульсов в азоте Т = 2 мкс. Представленные результаты свидетельствуют об идентичности механизмов генерации токовых импульсов отрицательной короны в азоте и в воздухе, а также о не существенной роли отрицательных ионов в этом механизме. Интенсивно развивается в последнее десятилетие за рубежом и в России [ 10] способ получения неравновесной плазмы при атмосферном давлении - метод импульсной короны. Данный метод лежит в основе многих газоразрядных методов очистки газов.
Экспериментальные результаты исследований импульсно- периодического режима отрицательного коронного разряда.
Коронный разряд реализуется путем подачи постоянного напряжения и на электродную систему острие-плоскость до некоторого критического значения напряжения - напряжения зажигания и , при котором зажигается корона. Зажигание короны регистрируется микроамперметром, по первому импульсу тока и осциллографом, по появлению импульсов тока. Разряд зажигается только при подаче отрицательного напряжения на коронирующий электрод—острие и только в потоке аргона. Исследования, направленные на реализацию отрицательного коронного разряда в неподвижной газовой среде показали, что в сантиметровых диапазонах разряд не зажигается, а сразу происходит искровой пробой разрядного промежутка. Коронный разряд, как уже указывалось выше, характеризуемый как разряд, сопровождаемый импульсами тока (импульсами Тричела) зажигается только в потоке газа. После зажигания короны при межэлектродных расстояниях (1 5 см и расходах газа в = 80л/ч, наблюдается вспышечная корона, характеризующаяся нерегулярными вспышками свечения около коронирующего острия. При дальнейшем увеличении напряжения частота вспышек увеличивается, и вспышечная корона переходит в корону с регулярными импульсами, характеризующейся стационарным свечением около острия. Отрицательная корона зажигается в импульсно-периодическом режиме, при этом свечение локализовано возле коронирующего острия, над которым наблюдается «купол» широко расходящегося к аноду диффузного свечения. Свечение в импульсно-периодическом режиме отрицательной короны в потоке аргона (участок 2-3 на рис. 2.12) качественно соответствует общепринятому определению короны, и характеризуется слабовыраженным свечением генерационной зоны, которая располагается вблизи острия, при этом дрейфовая область остается практически темной. Катодное пятно представляет собой ярко выраженную нестационарную область, характеризующуюся неравномерной картиной свечения в пределах пятна. Как видно, поперечный размер (—12 мкм) катодного пятна заметно меньше радиуса кривизны коронирующего острия, при этом интенсивность свечения пятна увеличивается с увеличением напряжения.
Следует отметить, что в зависимости от эксперимента к эксперименту катодное пятно не привязывается к одному месту, а может возникнуть в пределах поверхности вер шины острия, что приводит к неконтролируемым изменениям токовой трубки отрицательной короны [76]. где cti - аа - результирующий коэффициент усиления электронной лавины в процессах ионизации ctj и прилипания аа; d - размер области у коронирующего электрода, в которой а, аа; у - эффективный коэффициент положительной обратной связи электронных лавин, обусловленный эмиссией электронов с поверхности катода за счет фотонов, положительных ионов и возбужденных частиц. Коэффициент ионизации ctj (eUj = 15,8 эВ - энергия ионизации) в аргоне при больших полях близко к коэффициентам ионизации азота a; (eUj = 14,5 эВ) и воздуха [8]. Вследствие экспоненциально резкой зависимости а; от поля напряжение зажигания U отрицательного коронного разряда в аргоне будет, согласно (1), не сильно отличаться от напряжения зажигания в воздухе и азоте (соответствующие экспериментальные данные, приведены на рис. 2.9 (а,б)). На рис. 2.9 (а) представлены экспериментальные данные, полученные в работе Акишева [16] по исследованию напряжения зажигания отрицательной короны в азоте и воздухе при атмосферном давлении. Незначительно отличаются и падения напряжения на генерационных слоях отрицательной короны в аргоне, воздухе и азоте. Обычно падение потенциала UK на тлеющем катодном слое составляет несколько сот вольт (т.е. UK Uo), и в случае воздуха оно не вносит заметного вклада в общее падение напряжения отрицательной короны. Падение потенциала UK в аргоне составляет согласно оценкам -150 В. В экспериментальной практике начальное напряжение отрицательной короны обычно определяется из пересечения прямой приведенного тока I/U с осью напряжений (в литературе зависимость I/U от U называют редуцированной вольт-амперной характеристикой [8]). В аргоне, в отличие от воздуха, начальное напряжение Uo, при котором прямая I/U пересекается с осью напряжений, не совпадает с напряжением зажигания U короны. На рис.2.10 представлена редуцированная вольт-амперная характеристика отрицательной короны при межэлектродных расстояниях d = 1, 3, 6 см при расходе аргона G = 80 л/ч. Начальное напряжение U0, найденное из редуцированной вольт- амперной характеристики при малых сантиметровых межэлектродных расстояниях является всегда меньше напряжения зажигания: U0 U . Наличие гистерезиса вольт-амперной характеристики отрицательной короны в электроположительных газах (см., п.2.2.2 гл. II) связано с различием напряжений, обеспечивающих условие самоподдержания электронных лавин (1) в промежутке до зажигания короны и после него [16]. До зажигания короны лавины размножаются в сравнительно слабых полях на большом расстоянии от острия, что требует и достаточно больших напряжений. После зажигания сильные поля локализуются непосредственно у острия, так что условие самоподдержания выполняется уже на очень короткой длине, равной толщине тлеющего катодного слоя. В этом случае напряжение на промежутке будет меньше. На рис. 2.9 (а) представлены экспериментальные данные, полученные в работе Акишева [16] по исследованию напряжения зажигания отрицательной короны в азоте и воздухе при атмосферном давлении. Незначительно отличаются и падения напряжения на генерационных слоях отрицательной короны в аргоне, воздухе и азоте. Обычно падение потенциала UK на тлеющем катодном слое составляет несколько сот вольт (т.е. UK Uo), и в случае воздуха оно не вносит заметного вклада в общее падение напряжения отрицательной короны.
Падение потенциала UK в аргоне составляет согласно оценкам -150 В. В экспериментальной практике начальное напряжение отрицательной короны обычно определяется из пересечения прямой приведенного тока I/U с осью напряжений (в литературе зависимость I/U от U называют редуцированной вольт-амперной характеристикой [8]). В аргоне, в отличие от воздуха, начальное напряжение Uo, при котором прямая I/U пересекается с осью напряжений, не совпадает с напряжением зажигания U короны. На рис.2.10 представлена редуцированная вольт-амперная характеристика отрицательной короны при межэлектродных расстояниях d = 1, 3, 6 см при расходе аргона G = 80 л/ч. Начальное напряжение U0, найденное из редуцированной вольт- амперной характеристики при малых сантиметровых межэлектродных расстояниях является всегда меньше напряжения зажигания: U0 U . Наличие гистерезиса вольт-амперной характеристики отрицательной короны в электроположительных газах (см., п.2.2.2 гл. II) связано с различием напряжений, обеспечивающих условие самоподдержания электронных лавин (1) в промежутке до зажигания короны и после него [16]. До зажигания короны лавины размножаются в сравнительно слабых полях на большом расстоянии от острия, что требует и достаточно больших напряжений. После зажигания сильные поля локализуются непосредственно у острия, так что условие самоподдержания выполняется уже на очень короткой длине, равной толщине тлеющего катодного слоя. В этом случае напряжение на промежутке будет меньше. Из предложенной картины видно, что положительный заряд сформировавшегося у острия катодного слоя снижает электрическое поле Ек (по сравнению с исходным вакуумным) на катодной границе дрейфовой зоны. В тоже время объемный заряд электронов в дрейфовой зоне невелик (особенно при малых начальных токах короны и сантиметровых промежутках), поэтому конфигурация осевого электрического поля Е (х) в этой зоне остается близкой к вакуумной. Ео Используем для иллюстрации конфигурацию вакуумного поля Е (х) между острием параболоидной формы и плоскостью [2,8]: Е(х) = Еог/(г + 2х), где Ео - поле на поверхности острия радиуса г до зажигания короны. В соот ветствии с вышесказанным, распределение поля в дрейфовой зоне после зажигания короны будет иметь вид (рис. 2.11): Е(х) = Е0г/(г + 2х) (функциональная зависимость г/(г + 2х) осталась прежней, поскольку толщина катодного слоя, как правило, много меньше радиуса острия). Начальное напряжение ио на промежутке после зажигания короны будет равно: и0 = ик + изажЕк/Е0, где ик - напряжение на тлеющем катодном слое короны, близкое по величине 0,5 — 1 кВ [16]. Очевидно, что начальное напряжение меньше напряжения зажигания.
Пространственное распределение потенциала.
Зондовой диагностике плазмы более полувека. Впервые использованная И. Ленгмюром [123] в 1924 году для определения параметров слабоионизиро- ванной стационарной плазмы низкого давления, она непрерывно развивается с появлением новых плазменных объектов, оставаясь все эти годы одним из основных методов диагностики. Необходимо отметить два неоспоримых достоинства зондового метода. Первый из них - локальность получаемых характеристик и исключительная простота реализации. Другим чрезвычайно важным достоинством метода является то, что практически лишь зондовый метод позволяет определить потенциал плазмы - важнейший параметр при исследовании приэлектродных процессов в различных разрядах. Несмотря на сравнительную простоту зондового метода диагностики плазмы, на пути его применения встречаются значительные трудности, во- первых, в настоящее время теории зондовых измерений при средних и высоких давлениях значительно сложнее, чем существующие для классического лен- гмюровского зонда при низких давлениях. Во-вторых, нестационарный характер протекания тока разряда затрудняет регистрацию вольт-амперных характеристик зонда Ленгмюра, из которых можно было бы получить информацию о функции распределения, температуре и плотности электронов в различных областях разряда (см., например, [124,125]). Ясно, что определение функции распределения и температуры электронов Те будет существенно сложной задачей. Однако, как показано в работе [126], величину потенциала плазмы можно оценить достаточно точно и в этих условиях. Поэтому настоящие эксперименты ограничены лишь измерением усредненного по времени плавающего потенциала У{ в импульсно-периодическом режиме отрицательной короны (постоянная времени составляла величину 5 — Юс). Оценки по формуле (8) показывают, что в дрейфовой области межэлектродного промежутка величина добавочного члена составляет 30 В (погрешность измерений 1ч-3%). Поэтому для внешней (дрейфовой) области можно принять: Корректность измерений проверялась сравнением результатов измерений потенциала зондом с измерениями общего напряжения разряда киловольтмет- ром. 1. Впервые экспериментально реализован отрицательный коронный разряд постоянного напряжения при атмосферном давлении в электроположительном атомарном газе (аргоне). Установлено, что разряд зажигается только в движущейся газовой среде. 2. Впервые экспериментально обнаружены регулярные импульсы тока отрицательного коронного разряда в электроположительном атомарном газе (аргоне), аналогичные импульсам Тричела в воздухе.
Импульсы тока отрицательной короны имеют быстрый передний фронт 5,5 мкс и длительность 0,35 мс. 3. Область применимости известной формулы I = Ш(и - и0) (2) для коронного разряда ограничивается токами, соответствующими импульсно- периодическому режиму (участок 2-3, рис. 2.12 гл. II). 4. Вольт-амперная характеристика отрицательной короны в аргоне в случае межэлектродных промежутков сантиметровой длины ((1 4 см) обладает гистерезисом, т.е. корона существует и при напряжениях и и характеризуется нерегулярными импульсами тока. 5. Свечение отрицательного коронного разряда в импульсно-периодическом режиме локализовано в небольшой токовой области на поверхности вершины коронирующего острия, от которого расходится широко расходящийся «купол» диффузного свечения. 6. Начиная с некоторой критической величины I , ток короны нарастает с приложенным напряжением более круто по сравнению с выражением (2). Этот ток соответствует началу перехода отрицательной короны в режим стационарного разряда в аргоне, идентифицируемого как тлеющий разряд атмосферного давления. В главе представлены результаты исследований влияния расхода газа в и геометрических факторов на параметры и токовую область существования им- пульсно-периодического режима отрицательного коронного разряда. В настоящей работе исследовалось влияние потока аргона на свойства импульсно-периодического режима отрицательной короны, который привлекает внимание в настоящее время в связи с разработкой различных электрогазодинамических устройств [6]. Исследования проводились на отрицательном коронном разряде постоянного тока в диапазоне изменения расхода аргона С от 0 до 100 л/ч, при атмосферном давлении. Эксперименты проводились при различных ориентациях направления газового потока относительно направления электрического поля Ё. Схемы расположения электродов в экспериментах показаны на рис. 3.1. Коронный разряд по сравнению с тлеющим и дуговыми разрядами исследован относительно слабо. Однако, в связи с открытыми новыми явлениями и эффектами [15,16], представляющими интерес как с позиции фундаментальной науки, так и с практической точки зрения в последние годы наблюдается интенсификация исследований коронного разряда. Научный интерес обусловлен тем, что, одним из основных отличительных особенностей разряда является то, что отрицательная корона в воздухе в области начальных токов представляет собой установившуюся последовательность регулярных токовых импульсов (импульсов Тричела) [42], природа которых раскрыта не полностью. Кроме того, локализация высокоэнергетичной области плазмы вблизи отрицательно заряженного острия позволяет моделировать прикатодные процессы газовых разрядов. С практической точки зрения интерес к коронному разряду обусловлен тем, что он нашел и находит широкое применение при конструировании газоразрядных устройств основанных на отрицательном коронном разряде (электросепарация, плазмохимические реакторы, электропокраска, электрофильтрация и т.д.) [23]. Нужно отметить, что до сих пор нет общепризнанной теории явления, что свидетельствует о сложности процессов происходящих в коронном разряде.
Поэтому, в настоящее время, идет процесс накопления экспериментальных данных в широком диапазоне изменения параметров разряда и развитие модельных представлений об основных процессах ответственных за существование разряда. Следует отметить, что исследования коронного разряда обычно проводятся в сложных (молекулярных) газах, когда количество элементарных процессов, которые необходимо учитывать при моделировании очень большое и по многим из них нет справочных данных [18]. В этой связи представляет интерес возбуждение и исследование отрицательного коронного разряда в простом (одноатомном) газе [22]. Это позволит, в будущем, построить достаточно строгую теоретическую модель явления. Однако в обычных условиях отрицательный коронный разряд в одноатомных газах не зажигается [8]. Причины этого до сих пор не выяснены. Между тем, реализация отрицательного коронного разряда в простых газах может открыть широкие перспективы его практического применения, например, диссоциация и разделение двухатомных молекул в процессах получения чистых веществ, выращивания пленок и т.п. [7]. Таким образом, исследования отрицательного коронного разряда в одноатомном газе (аргоне) являются актуальными как для развития физических представлений о явлении, так и для практических целей. Цель и задачи исследований. Основная цель диссертации заключается в экспериментальном исследовании импульсно-периодического режима отрицательной короны постоянного напряжения при атмосферном давлении в потоке аргона, и явлений его сопровождающих. В диссертации ставились следующие основные задачи: Исследование физических условий возникновения и существования импульсно-периодического режима отрицательного коронного разряда в электроположительном атомарном газе (аргоне). Исследование пространственного распределения электрического поля в разрядном промежутке и временных зависимостей основных характеристик импульсно-периодического режима отрицательного коронного разряда. Исследование влияния газодинамических факторов на параметры и область существования импульсно-периодического режима отрицательного коронного разряда. Исследование влияния геометрических факторов на основные характеристики импульсно-периодического режима и область существования разряда. Научная новизна. 1. Впервые экспериментально реализован импульсно-периодический режим (импульсы Тричела) отрицательного коронного разряда постоянного напряжения в чистом электроположительном атомарном газе - аргоне.
