Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экспериментальные характеристики импульсной стримерной короны (по литературным данным) 11
1.1 Введение 11
1.2 Методы исследования импульсной стримерной короны 13
1.2.1 Измерение тока стримерной короны 13
1.2.2 Регистрация излучения стримерной короны 21
1.2.3 Электрография 23
1.3 Экспериментальные данные о параметрах импульсной стримерной короны 24
1.3.1. Общие сведения 24
1.3.2 Характеристики одиночного стримера 25
1.3.3 Параметры ветвящейся стримерной короны 29
1.3.4 Структура импульсной стримерной короны 35
1.3.5 Разряд в промежутке с твердым диэлектриком 38
1.4 Выводы и постановка задач исследования 43
Глава 2. Экспериментальная установка и методика измерений 45
2.1 Конструкция экспериментальных установок 45
2.2 Измерение тока стрим ер но го разряда 51
2.2.1 Омический шунт 51
2.2.2 Воздушный трансформатор тока (пояс Роговского) 52
2.3 Регистрация излучения стримерной короны 55
Глава 3. Разработка усовершенствованной комплексной методики исследования стримерной наносекундной короны . 63
3.1 Электрографический метод исследования стримерной короны 63
3.1.1 Общие сведения 63
3.1.2 Расчет поляризации пластины под действием поля головки стримера 66
3.1.3 Выбор расположения пластины в промежутке 74
3.1.4 Влияние толщины и материала барьера на параметры импульсной стримернои короны 76
3.2 Определение размеров стримернои зоны разряда 78
3.3 Измерение скорости фронта стримерного разряда 84
Глава 4. Исследование стримернои короны в системе электродов «игла-плоскость 89
4.1 Постановка задачи 89
4.2 Ток стримернои короны 89
4.3 Излучение стримерного разряда 94
4.4 Размеры чехла стримернои короны 94
4.5 Скорость фронта стримерного разряда 96
4.6 Структура отдельных стримеров и разряда в целом 98
4.7 Повторная вспышка стримернои короны 106
4.8 Выводы 112
Глава 5. Влияние на параметры стримернои короны внешних условий 114
5.1 Постановка задачи 114
52 Длительность импульса напряжения 114
5.3 Радиус кривизны коронирующего электрода 122
5.4 Разряд при наличии диэлектрического барьера 134
5.5 Выводы 142 Глава 6. Анализ полученных в работе результатов 145
6.1 Расчет электростатического поля в исследованных промежутках 145
6.1.1. Распределение поля в чисто воздушных промежутках 145
6.1.2. Расчет поля при наличии пластины из твердого диэлектрика 152
6.2. Форма импульса тока разряда, 155
6.3. Скорость фронта стримернои короны 157
6.4. Структурные характеристики стримерного разряда 159
6.5. Разряд в присутствии диэлектрика. 164
6.6. Выводы 165
Заключение 167
Список литературы 173
- Методы исследования импульсной стримерной короны
- Измерение тока стрим ер но го разряда
- Определение размеров стримернои зоны разряда
- Скорость фронта стримерного разряда
Введение к работе
Необходимость очистки газовых выбросов, возникающих при сжигании тошгав, при работе химических производств и бытовых предприятий (небольших котельных, химчисток и прачечных) и животноводческих комплексов требует установки очистных сооружений, одними из которых являются установки, использующие газовый разряд. В последние годы получили распространение устройства, в которых процесс очистки газа идет в стримерной зоне положительного импульсного наносекундного разряда. Отсутствие нагрева газа, простота реакционной камеры, легкая масштабируемость установки делают эту технологию очень привлекательной по сравнению с другими методами очистки (каталитический, термический и
ДР-)-
Существует два направления использования наносекундного разряда в
очистных сооружениях [1]. Первое - это очистка топочных газов ТЭЦ,
котельных и мусоросжигательных заводов от оксидов серы и азота. Для
топочных газов характерна относительно высокая температура и химический
состав, существенно отличный от атмосферного воздуха. Второе направление -
это очистка воздуха от вредных примесей, возникающих на химическом
производстве, в бытовых и сельскохозяйственных предприятиях. В этом случае
речь идет об удалении малых концентраций органических примесей в воздухе.
В обоих случаях опыт эксплуатации имеющихся пилотных установок,
использующих наносекундный разряд, показывает высокие энергозатраты на
очистку, уменьшение которых требует оптимизации режима разряда и
усовершенствования устройств, его создающих [2]. Приводимые в литературе
данные о характеристиках наносекундного стримерного разряда показывают,
что для эффективной работы очистного устройства необходимо максимальное
заполнение объема реакционной камеры стримерными каналами при их
интенсивном ветвлении, что обеспечивает наибольшую эффективность
образования химически активных частиц, участвующих в очистке газа. Для
снижения затрат энергии необходимо обеспечить минимальную длительность
импульса приложенного напряжения, при котором напряжение снимается сразу после пересечения промежутка стримерной зоной разряда. Кроме того, необходимо обеспечить отсутствие пробоя разрядного промежутка. Решение всех указанных задач невозможно без знания структуры стримерной зоны разряда, скорости движения ее фронта в разрядном промежутке и влиянии на эти характеристики внешних условий.
Имеющиеся экспериментальные данные., описанные в литературе, относятся в большинстве случаев к коротким (порядка 3...5 см) промежуткам и не позволяют распространить эти данные на широкий диапазон внешних условий.
Интенсивно развивающееся в последнее время математическое моделирование стримерной короны, позволяющее определить влияние внешних факторов на плазмохимические реакции очистки газа от вредных примесей, должно основываться на экспериментальных данных о структурных характеристиках короны в промежутках длиной 10 см и выше. Моделирование невозможно без обоснованного задания радиуса стримера, значительно влияющего на результаты расчетов, а также использования экспериментальных данных о структуре стримерной вспышки, скорости фронта разряда и импульсе тока разряда для оценки достоверности модели. Комплексных данных подобного рода в литературе практически нет.
Целью работы является исследование структурных характеристик положительного импульсного наносекундного стримерного разряда в электродных системах, характерных для технологических установок по очистке воздуха, таких как: "игла-плоскость", "шар-плоскость" и "провод-плоскость".
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
разработать усовершенствованную методику комплексного экспериментального исследования наносекундного стримерного разряда в воздухе;
экспериментально получить комплекс характеристик наносекундного стримерного разряда и определить влияние внешних условий (параметров кривой воздействующего напряжения, электродной системы и
7 распределения электрического поля в разрядном промежутке) на структурные, электрические и оптические характеристики наносекундного стримерного разряда в электродных системах, характерных для технологических установок по очистке воздуха;
— на основе полученных данных сформулировать рекомендации по
использованию наносекундного стримерного разряда в технологических
установках по очистке воздуха;
- подготовить экспериментальные данные по структуре стримерной зоны,
скорости ее фронта и току разряда, необходимые для математического
моделирования импульсного стримерного разряда.
В первой главе рассмотрены известные методы экспериментального исследования импульсной стримерной короны, а также систематизированы и критически освещены известные из литературы сведения о положительной импульсной стримерной короне в воздухе.
Во второй главе приведено описание экспериментальных установок, использованных при проведении измерений, изложена техническая реализация традиционных методов исследования импульсной стримерной короны. Большое внимание уделено особенностям эксперимента, связанным с большой скоростью протекающих процессов и достоверности получаемых результатов.
Третья глава посвящена усовершенствованной комплексной методике исследования наносекундной стримерной короны. Проработаны многие не изученные до сих пор вопросы применения электрографического метода исследований. Рассмотрены вопросы измерения размеров чехла стримерной короны разными методами, описана методика определения локальной скорости фронта разряда.
В четвертой главе приведены результаты комплексного исследования наносекундной стримерной короны в промежутке «игла-плоскость» длиной 105... 165 мм, рассмотрена зависимость формы и амплитуды импульса тока разряда, размеров чехла разряда, структуры разряда, распределения скорости фронта разряда вдоль разрядного промежутка от его длины.
В пятой главе рассмотрено влияние на указанные характеристики разряда конфигурации электродной системы. В частности, исследован разряд в промежутке «шар-плоскость» и разряд в промежутке «игла-плоскость» в присутствии твердого диэлектрика.
В шестой главе проведен анализ полученных в работе данных. Для этого выполнен расчет распределения электростатического поля в исследованных разрядных промежутках, в том числе для случая присутствия в промежутке пластины из диэлектрика. С учетом полученных расчетных данных рассмотрены особенности структуры разряда, формы импульса тока разряда, распределения скорости фронта стримерной зоны при разных условиях. Проанализировано влияние материала и толщины диэлектрического барьера на структуру и характеристики разряда.
Научная новизна работы:
Впервые получены обстоятельные комплексные данные по параметрам наносекунд ной стримерной короны в электродных системах, характерных для технологических установок по очистке воздуха, включающие сведения о структуре, скорости фронта стримерной зоны и току разряда. Базовым вариантом выбрана электродная система «игла-плоскость» при длине промежутка 30... 165 мм.
Определены возможности и условия применения электрографического метода исследования структуры стримерного разряда. Тем самым разработан комплексный метод, включающий совместное использование электрографии и фотографии, позволяющий получать новые данные о структуре стримерной зоны импульсного разряда.
В процессе исследования дополнительно получен ряд новых данных об особенностях структуры стримерной зоны импульсного наносекундного разряда.: а) экспериментально показано наличие отрицательного избыточного заряда в каналах стримеров; б) методом электрографии оценена верхняя граница радиуса канала стримера и его головки; в) уточнен круг возможных
9 условий и выявлены причины появления аномальных искривлений каналов стримеров в стримерной зоне наносекундного разряда.
4) Совместным анализом полученных расчетом распределений электростатического поля и экспериментально полученных данных по скорости фронта стримерной зоны, влиянию диэлектрического барьера на разряд и структуре стримерной зоны установлена целесообразность использования для анализа характеристик разряда данных о распределении электростатического поля вместо широко используемых значений средней напряженности поля в разрядном промежутке.
Практическая значимость работы:
1) Получены данные, позволяющие определять режим разряда,
обеспечивающий повышение эффективности работы установок по очистке
воздуха от вредных примесей: установлено, что наибольшая интенсивность
ветвления стримеров обеспечивается, если напряженность поля во всем
разрядном промежутке будет не ниже 6,5 кВ/см; показано, что длительность
импульса приложенного напряжения должна быть выбрана с учетом
распределения скорости движения фронта стримерной зоны, которая, в свою
очередь, определяется распределением напряженности поля, и обеспечивать
снятие напряжения с промежутка сразу после пересечения его стримерной
зоной разряда. Например, для промежутка «игла-плоскость» длиной 90 мм
длительность прямоугольного импульса напряжения с амплитудой 67 кВ,
обеспечивающая указанные условия, составляет 200 не, причем пробоя
промежутка не происходит.
2) Разработана экспериментальная методика, включающая совместные
электрические и оптические измерения, электрографию и фотографию, и
позволяющая получать комплекс характеристик разряда, необходимых для
математического моделирования импульсной стримерной короны.
На защиту выносятся:
1) Усовершенствованная комплексная методика исследования наносекундного стримерного разряда, включающая одновременное измерение
10 приложенного напряжения, тока разряда, интенсивности его излучения и определение структуры стримерной зоны разряда с помощью фотографирования и электрографии.
2) Комплекс данных по характеристикам наносекунда ого стрим ерно го
разряда в электродных системах «игла-плоскость», «шар-плоскость», «провод-
плоскость», позволяющий определять режим разряда, обеспечивающий
наибольшую эффективность работы установок по очистке воздуха от вредных
примесей, и необходимый при математическом моделировании импульсной
стримерной короны.
3) Новые данные о структуре стримерной зоны наносекундного
импульсного разряда, полученные при совместном использовании
электрографии и фотографии, в частности, наличие избыточного
отрицательного заряда в каналах стримеров.
Структура и объем диссертации: диссертация общим объемом 178 страниц, состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы (62 наименования). Содержит ПО страниц основного текста, 84 рисунка, 4 таблицы.
Методы исследования импульсной стримерной короны
В настоящее время для измерения импульсных токов применяются измерительные сопротивления - шунты [7-10] и трансформаторы тока — так называемые пояса Роговского [6, 11-13]. методы измерения тока применительно к исследованию наносекундной стримерной короны, следует иметь в виду, что в зависимости от конфигурации разрядного промежутка и амплитуды приложенного напряжения, амплитуда тока разряда может меняться от нескольких десятков миллиампер до единиц ампер. Максимального значения ток достигает за время от нескольких единиц до нескольких десятков наносекунд. Это соответствует эквивалентной частоте 5...50 МГц. Длительность импульса тока, если она не ограничена длительностью импульса напряжения, составляет сотни наносекунд. Такая высокая скорость нарастания тока требует минимальной индуктивности измерительного устройства. В противном случае, регистрируемая кривая может в значительной мере содержать реактивную составляющую. Кроме того, важную роль при измерении токов наносекундной длительности играет экранирование измерительной аппаратуры и кабелей от электромагнитных наводок, вызванных работой источника импульсов напряжения.
Наиболее распространенным является способ регистрации тока, основанный на измерении падения напряжения на измерительном сопротивлении (шунте) [14], включенном в разрядную цепь (рис.1). Измеряемый сигнал U„(t) передается к осциллографу по коаксиальному кабелю, имеющему на конце согласующее сопротивление. Падение напряжения U„(t) пропорционально изменяющемуся во времени току I(t), если сопротивление шунта является чисто активным в определенном диапазоне частот:
Любой шунт, по которому протекает ток, создает вблизи себя магнитное поле [14]. Поэтому омический шунт представляют в эквивалентной схеме замещения в виде последовательно соединенных идеального активного сопротивления и индуктивности. Параллельно выводам шунта включена также некоторая паразитная емкость. Увеличение измерительного сопротивления снижает влияние паразитной индуктивности, но увеличивает влияние емкости, и наоборот.
Исходя из данных, изложенных в [15], сопротивление шунта должно быть обусловлено требованиями отсутствия его влияния на цепь с током. Известно, что устройство для измерения тока работает без обратного влияния, если его сопротивление мало по сравнению с сопротивлением остального контура. С другой стороны, чем больше величина измерительного сопротивления, тем больше отношение сигнал/шум.
Для шунтов с сопротивлением от 0,1 до 10 Ом емкостное сопротивление1/шС приближается к активному сопротивлению при частотах выше 100 МГц[11], поэтому в случае наносекундных токов емкостной составляющей можнопренебречь и использовать схему замещения, показанную на рис. 2. Падениенапряжения на шунте состоит из двух составляющих:UR(t)=I(t)R, UL(t)=L di(t)/dt
Необходимо стремиться обеспечить как можно меньшую индуктивность шунта выбором его формы и геометрических размеров. Низкой индуктивности шунта добиваются при использовании коаксиальной конструкции шунта. Конструкции коаксиальных шунтов подробно описаны в [14, 16]. Рассмотрим пример коаксиального шунта (рис. 3). В нем ток подводится к центральному вводу 1, протекает по внутреннему цилиндру 2, изготовленному из материала с высоким удельным сопротивлением, и возвращается по внешнему коаксиальному цилиндру 3, изготовленному из обычного проводящего материала. Падение напряжения, снимаемое с внутреннего цилиндра проводом 4, через коаксиальный ВЧ разъем 5 подается на осциллограф. Так как в пространстве между проводом 4 и цилиндром 2 магнитное поле отсутствует, то шунт ведет себя как чисто активное сопротивление. В действительности коаксиальные шунты обладают конечной полосой пропускания, что обусловлено процессами проникновения тока внутрь материала шунта. Однако в большинстве случаев коаксиальным шунтам удается удовлетворить предъявляемые к ним требования.
Принцип действия пояса Роговского описан в [14]. С изменяющимся во времени током связано образование вблизи проводников переменного магнитного поля. Магнитное поле индуктирует в витках катушки, охватывающей провод с током, напряжение Ui(t), пропорциональное производной тока di(t)/dt. С помощью интегрирующей схемы, на которую подается сигнал с катушки, можно получить импульс напряжения Un(t), пропорциональный измеряемому току i(t). Обычно катушка выполняется в виде тора, охватывающего провод П с измеряемым током (рис.4).В [14] показано, что индуктированное при изменении магнитного поля напряжение в катушке с числом витков п и площадью витка F равно:п Ui(t) = FSdBv/dt, v=l где Bv - составляющая индукции поля, перпендикулярная плоскости витка.При достаточно малом шаге намотки катушки AS интеграл полного тока приближенно можно заменить суммой: BvAS = доі v=l Из этого уравнения после дифференцирования по времени и с учетом предыдущих уравнений в [14] получено выражение для индуктированного напряжения:Ui(t) = (цопМ)( di(t)/dt) = М di(t)/dt, где n - число витков катушки; 1 - длина катушки, охватывающей провод с измеряемым током; М - взаимная индуктивность между измерительной катушкой и проводом с измеряемым током. Она дает связь между измеряемым током и током в катушке, т.е. характеризует обратное действие тока в катушке на измеряемый ток.В свою очередь, взаимная индуктивность связана с числом витков п, средним диаметром тора D и диаметром круглого сечения катушки d соотношением
Измерение тока стрим ер но го разряда
Для измерения тока разряда изготовлен шунт с сопротивлением 9,8 Ом. Как уже упоминалось, при измерении токов с большой крутизной важно обеспечить низкую индуктивность шунта. В разработанной конструкции малая индуктивность шунта достигается за счет тех же принципов, что и в коаксиальных шунтах, описанных выше. Конструкция изготовленного шунта представлена на рис. 10. Ток с иглы 1 подводится к цилиндрической клетке 5, образованной шестью резисторами (на рис. 10 показаны только четыре) номиналом 62 Ом, затем по стакану 6 , изготовленному из меди, ток отводится в землю. Медный стакан соединяется несколькими проводниками 9 с экраном шунта 7. Сигнал с сопротивлений клетки через согласующее сопротивление 4, которое представляет собой резистор с номинальным сопротивлением 39 Ом, подается на коаксиальный высокочастотный разъем. При этом центральная жила соединяется непосредственно с согласующим сопротивлением, а экран разъема соединяется с медным стаканом 6. С высокочастотного разъема по коаксиальному кабелю 8, который находится в экране 10, измеряемый импульс подается на цифровой осциллограф. Так как в пространстве между сопротивлением 4 и цилиндрической сеткой 5 магнитное поле практически отсутствует, то шунт в первом приближении ведет себя как чисто активное сопротивление. Экран 7 крепится к пластине 3. Игла 1 изолирована от держателя 2 и пластины 3. Таким образом, уменьшается ток смещения, протекающий через шунт при подаче импульса напряжения на ВВ пластину.
Для оценки точности измерений тока с помощью шунта были проведены измерения тока с помощью специально изготовленного пояса Роговского.
Изготовленное измерительное устройство представляет собой ферритовый сердечник, со всех сторон окруженный оболочкой из проводника, по внешнему периметру оболочки сделан разрез, края которого соединены "распределенным" вдоль внешнего периметра пояса Роговского нагрузочным резистором. Сигнал от пояса Роговского передается на осциллограф по 50-омному коаксиальному кабелю. Схема пояса Роговского "с единственным витком " представлена на рис. 11. В качестве сердечника 1 взята круглая шайба из феррита. Поперечное сечение шайбы в форме прямоугольника 1 X 0,7 см. Оболочка 2 изготовлена из листовой меди. "Распределенный" вдоль внешнего периметра пояса Рогове кого нагрузочный резистор представляет собой десять резисторов (каждый номиналом 11 Ом),которые в совокупности дают сопротивление 0,96 Ом. Резисторы представляют собой часть вторичного витка и располагаются по меридианам сердечника. Таким образом, получена конструкция с одним витком во вторичной обмотке. Это сделано в соответствии с рекомендациями, приведенными выше, для избежания появления резонанса. "Распределенный" вдоль внешнего периметра пояса Роговского нагрузочный резистор представлен на рис. 11 сопротивлениями Rl. Коаксиальный кабель, идущий к осциллографу, подключается к поясу Роговского через согласующее сопротивление R2=50 Ом. Для сравнения сигналов получаемых одновременно с пояса Роговского и шунта в конструкцию шунта вносятся некоторые изменения. Вместо медных проводников 9 (рис. 10) ток с медного стакана 6 отводится в землю проводом 9 (рис. 12). Ток, протекающий по проводу 9, измеряется поясом Роговского. Провод 9 так же экранируется медным экраном 11 для снижения уровня помех.
После проведения измерений тока разряда выяснилось, что сигналы с обоих измерительных устройств имеют практически одинаковую форму, что говорит в пользу точности проводимых измерений. Однако сигнал, снимаемый с пояса Роговского, содержит помехи уровнем около 10 % от полезного сигнала, в то время как помехи на сигнале с шунта не превышают 5 % от полезного сигнала. Кроме того, если 10-омный шунт можно охарактеризовать чувствительностью 10 вольт на 1 ампер протекающего через него тока, то чувствительность изготовленного пояса Роговского оказалась на уровне 1,3 вольт на 1 ампер, то есть почти в 8 раз меньше.
Все последующие измерения тока проводились с помощью омического шунта.2.3 Регистрация излучения стримерной короны
Для регистрации излучения стримерного разряда в работе были использованы ФЭУ-79. Его полоса пропускания лежит в пределах 300...830 нм, но максимальная чувствительность умножителя находится в узком диапазоне 350...450 нм.
Определение размеров стримернои зоны разряда
Одним из распространенных способов определения границ стримерной зоны коронного разряда является определение границ зоны излучения с помощью ФЭУ. По наличию или отсутствию сигнала ФЭУ можно судить о том, достиг ли разряд определенного участка в пространстве. При этом чаще всего делают так, чтобы в объектив ФЭУ попадало излучение из узкой зоны, перпендикулярной направлению распространения разряда. В некоторых случаях этого добиваются системой линз, фокусирующих излучение из определенной области промежутка на объектив, в других случаях используют узкие щели, позволяющие ФЭУ улавливать рассеянный свет из узкой зоны разрядного промежутка.
В данной работе для измерения размеров стримернои зоны и скорости фронта стримерного разряда использованы узкие щели. Из диэлектрического материала изготовлены два бруска с размерами 100 40 20 мм. Широкие грани брусков выровнены для получения как можно более плоской поверхности. После этого, для снижения степени отражения света от этих граней, они были покрыты тонким слоем угольной сажи. Бруски размещены на пластине из текстолита, в которой вырезана длинная щель шириной 1 мм. Ширина щели между брусками d составляет 200 мкм. Конструкция изготовленной щели приведена на рис. 25. Конструкция со щелью была установлена на ФЭУ таким образом, что расстояние от фотокатода до края брусков составило 85 мм, расстояние от другого края брусков до оси разрядного промежутка составило 400 мм.
Для изготовленной конструкции была рассчитана ширина области на оси разрядного промежутка, из которой излучение может попасть на фотокатод ФЭУ.
Расчетная схема приведена на рис. 26. Ширина щели AC=DB=0,2 мм, Толщина материала щели AD=BC= 40 мм, расстояние от края щели до оси разрядного промежутка OBj = 400 мм. Из подобия треугольников ABC и ABjQ следует, что
Аналогично, из подобия треугольников CD А и СВ2С2 получим ССг=2,2 мм. Значит искомая ширина области на оси разрядного промежутка, из которой излучение может попасть на фотокатод ФЭУ, составит
Данное значение было проверено экспериментально. Для проверки использовалась картонная пластина с миллиметровой сеткой, установленная на оси разрядного промежутка перпендикулярно трубке ФЭУ. Пластина освещалась сфокусированным светом лазерного диода, одновременно с этим на осциллографе наблюдался сигнал. Световое пятно медленно перемещалось по пластине, при этом отмечались координаты, при которых сигнал ФЭУ появлялся, а затем пропадал. Полученная ширина зоны излучения, регистрируемая ФЭУ, составила около 5 мм.
Рассмотрим порядок действий при определении размеров стримерной зоны с помощью ФЭУ на примере определения её длины. При заданном межэлектродном расстоянии проводится серия предварительных экспериментов, направленных на грубое определение границы стримерной зоны. ФЭУ устанавливается таким образом, чтобы через щель на ФЭУ попадало излучение из области разрядного промежутка, расположенной на произвольной высоте Н над нижней плоскостью. После этого производится несколько разрядов. Если сигнал с ФЭУ появляется при каждом разряде, то ФЭУ сдвигается ниже, если же сигнал ФЭУ не появляется, то ФЭУ перемещается выше. Таким образом, грубо определяется положение ФЭУ, при котором сигнал появляется с вероятностью приблизительно в 50%. Это положение дает значение Н5о%.
Для этого положения ФЭУ выполняется серия измерений из 50-60 разрядов. Затем ФЭУ со щелью сдвигается параллельно оси промежутка. Всего для каждой длины промежутка использовалось пять положений ФЭУ со щелью с шагом 3...4 мм. При каждом положении выполняется серия экспериментов из 50-60 разрядов. По полученным данным строится зависимость вероятности появления сигнала ФЭУ от высоты Н его установки над нижней плоскостью, по которой определяется уточненная высота Н5о% и средняя длина стримерной зоны:где L - межэлектродное расстояние.
Скорость фронта стримерного разряда
Результаты измерения длины и ширины стримерной зоны в промежутках различной длины представлены на рис. 44. Приведены значения, полученные с использованием электрографического метода. Вертикальные отрезки показывают среднеквадратичное отклонение. Как можно видеть, с увеличением средней напряженности поля в промежутке (с уменьшением длины промежутка) происходит практически линейный рост длины стример ной зоны, в то время как увеличение ширины стримерной зоны замедляется. При длине промежутка L=114 мм (Е=5,88 кВ/см) разряд всегда пересекает весь промежуток, поэтому разброс для этой точки отсутствует.Для сравнения на рис. 38, приведены данные работ [57, 58], полученные ранее в аналогичных условиях. В этих работах для измерения размеров стримерной зоны использовался электрографический метод с установкой пластины вплотную к коронирующему электроду. Очевидно, что установка пластины вплотную к игле приводит к искажению получаемых результатов, особенно при низкой напряженности поля. Так, при Еср = 4,3 кВ различие в значениях длины стримерной зоны достигает 50%, ширины - 25 %. Кроме того, по данным работы [58] рост ширины стримерной зоны при Еср 5 кВ/см прекращается, что противоречит полученным в диссертации результатам.
В работе выполнены измерения скорости распространения фронта стримерной зоны в диапазоне длин промежутка 105... 165 мм. Измерения скорости фронта разряда проводились при помощи двух ФЭУ с установленной перед объективом щелью. Методика измерения скорости описана в разделе 3.3.Результаты измерения приведены на рис. 39. Как и следовало ожидать, скорость фронта стримерного разряда снижается по мере удаления от корониругощего электрода. Максимальное зарегистрированное значение скорости составило 0,7 мм/нс.
Для промежутков длиной L 125 мм характерна стабилизация скорости стримеров на расстоянии около 50 мм от иглы. Минимальное зарегистрированное значение скорости при длине промежутка 135...165 мм одинаково и составило около 0,17 мм/нс. В дальнейшем излучение фронта разряда становилось настолько слабо, что не позволяло выполнить измерение скорости. Использование двух экспериментальных установок позволило исследовать структуру разряда в промежутке «игла-плоскость» при межэлектродном расстоянии в пределах 31...56 мм и 105...165 мм. В первом случае использовалась CCD-камера и электрография, во втором случае только электрография.На рис. 40 показаны типичные фотографии разряда при различной длине промежутка с указанием параметров тока, соответствующих этим разрядам. Изображения были обработаны на персональном компьютере так, чтобы наилучшим образом проявить все детали разряда. Следует отметить, что при этом их нельзя сравнивать по яркости. В зависимости от длины промежутка и в силу статистического характера развития разряда, фотографии разряда демонстрируют различное количество стримерных ветвей. При высоких средних напряженностях поля ( 7 кВ/см) почти все стримеры, включая боковые ветви, пересекают разрядный промежуток и достигают противоположного электрода (рис 40 а). Когда напряженность поля меньше 7 кВ/см, только развивающиеся вблизи оси промежутка стримерные каналы доходят до плоскости, в то время как боковые стримеры проходят лишь около половины промежутка (рис. 40 б). Если же длина промежутка превышает 53 мм, то есть средняя напряженность поля меньше 6,5 кВ/см, то стримерная зона не пересекает промежуток (рис 40 в). В целом, фотографии разряда аналогичны приведенным в литературе [6, 13].
При длине промежутка 36 мм и менее в области иглы появляются короткие каналы, яркость которых на порядок больше яркости стримерных каналов (рис. 41). Их длина составляет 0,5...1 см, а количество колеблется в пределах от двух до четырех. Такие же каналы были получены в работе [6] в промежутке «игла-плоскость» длиной 17 мм при средней напряженности поля 10 кВ/см. Значительно ранее в работе [4] получены изображения стримерной короны в промежутке «шар-плоскость», на которых стримеры берут начало от ярких каналов, непосредственно примыкающих к поверхности шара. Авторы [4] называют эти каналы «стеблем», а отходящие от них многочисленные стримеры «короной».
На рис. 42 приведены фотография и электрограмма одного и того же разряда. Как можно видеть, эти два метода регистрации разряда дополняют друг друга. CCD-камера позволяет получить изображение области разряда, примыкающей к игле, в то время как на электрограмме эта область не проявляется. С другой стороны, электрография дает более четкое изображение головок стримеров и множества коротких ветвей, которые практически не видны или совсем неразличимы на фотографиях.
Высокая четкость изображения на электрограммах головок стримеров и примыкающих к ним каналов позволила измерить их размеры. Проведенные измерения показали, что диаметр головки стримера составляет 100...150 мкм, диаметр канала стримера на расстоянии 1 мм от головки равен 150...200 мкм, на расстоянии 3 мм и далее — 200. ..300 мкм.
Изображение следа стримера проявляется неравномерно (рис. 43): головка представляет собой плотную черную точку, от которой отходят две полосы порошка - границы канала стримера. Центральная часть канала проявляется слабо, однако оказывается темнее, чем фон электрограммы. Можно сделать вывод, что избыточный положительный заряд в канале стримера распределен неравномерно: концентрация его мала на оси стримера и возрастает к боковой границе канала.Характерная электрограмма для промежутка "игла-плоскость" длиной 143 мм и ее отдельные фрагменты представлены на рис. 44-46. Как видно из рисунков, получаемое на пластине изображение стримерной короны представляет собой сильноветвящуюся структуру с множеством отдельных ветвей, заканчивающихся головками.
Следы стримеров можно разбить на три части. Сначала идет сильно проявленная область А головки и прилегающий к ней канал длиной около 0,5 см. Затем область В канала стримера, в которой четко видны проявленные границы стримерного канала и слабо проявлена его центральная часть. Длина
