ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 9, с. 835-844
^ ^^^^^^ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ
ПЛАЗМА
УДК 533.9
ФЕНОМЕНОЛОГИЯ СИЛЬНОТОЧНОЙ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ КОРОНЫ В АЗОТЕ В ГЕОМЕТРИИ ОСТРИЕ-ПЛОСКОСТЬ
© 2004 г. Ю. С. Акишев, Г. И. Апонин, В. Б. Каральник, А. Е. Монич, Н. И. Трушкин
ГНЦ РФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований"
Поступила в редакцию 19.11.2003 г.
Окончательный вариант получен 01.03.2004 г.
Приводятся результаты экспериментальных исследований отрицательной стационарной короны в азоте атмосферного давления в геометрии острие-плоскость при аномально больших для короны токах миллиамперного диапазона. Описана эволюция видимой картины короны с ростом тока вплоть до перехода в искру. Установлено, что вольт-амперная характеристика и видимая картина короны существенно меняются при включении слабой прокачки газа через газоразрядную камеру. Показано, что отрицательная корона в азоте с прокачкой газа, начиная с тока I > 0.5 мА, является стримерной короной, в то время как в отсутствие прокачки стримеры не образуются. В отличие от квадратичной зависимости тока от напряжения в слаботочной короне ВАХ сильноточной короны линейна. Установлена эволюция радиального профиля плотности тока на аноде в процессе распространения шнура в различных экспериментальных условиях.
1. ВВЕДЕНИЕ
Обычно полагают, что отрицательная корона в геометрии острие-плоскость (острие заряжено отрицательно) является слаботочным и маломощным разрядом, ток и мощность которого не превышают нескольких сот микроампер и нескольких ватт соответственно [1, 2]. Однако такое мнение не соответствует действительности для отрицательной короны в азоте. Ниже будет показано, что в стационарном и динамическом режимах указанной короны можно достичь весьма больших токов от 3 до 30 мА и мощностей от 80 до 500 Вт, соответственно. Возможность реализации таких необычных режимов свидетельствует о том, что сильноточная корона в азоте при атмосферном давлении является новым перспективным источником неравновесной плазмы (или плазмохимическим реактором) и потому представляет большой интерес как для физики газового разряда, так и для различных приложений.
В то же время в литературе существует крайне скудная и разрозненная информация по свойствам отрицательной короны в азоте. Так, в одной из первых экспериментальных работ по отрицательной короне в азоте в геометрии острие-плоскость [3] приведена вольт-амперная характеристика (ВАх) разряда при малых токах I < 0.1 мА, свидетельствующая, что напряжение зажигания и* короны в азоте превышает напряжение ее горения. Эксперименты [4] также подтвердили существование резкого скачка тока и снижение напряжения на разряде после зажигания короны, измерена ВАХ в более широкой области токов (вплоть до 1 мА). Кроме того, авторами [4] заме-
чено, что напряжение зажигания не является строго определенной величиной даже при фиксированной геометрии электродов. В этой же работе установлено, что в статическом газе (т.е. в замкнутой камере без прокачки азота в процессе эксперимента) ток короны уменьшается со временем.
В указанных двух работах отмечался весьма интересный факт, что при токах в несколько сот микроампер у острия существует тонкий и небольшой длины яркий шнур, который может быть ориентирован не вдоль оси разряда, как этого можно было бы ожидать, но под некоторым углом к ней. Необычным было также и то, что катодное пятно, на которое опирается шнур, может быть локализованным не на самом кончике острия, а несколько сбоку.
В [5] было обнаружено, что отрицательная корона в азоте может существовать и при токах, меньших тока зажигания (ток зажигания - ток короны, скачком устанавливающихся после ее зажигания). Для реализации короны с такими малыми токами необходимо было сначала зажечь корону, а затем уменьшить приложенное напряжение. Эти эксперименты показали, что, для короны в азоте в определенной области параметров характерен гистерезис. Авторами [5] подробно исследованы свойства отрицательной короны в области гистерезиса, где ток разряда испытывает регулярные пульсации.
Из приведенного обзора литературы видно, что существующей экспериментальной информации для отрицательной короны в азоте (особенно при больших токах короны) явно недостаточно,
835
5*
R R2
-о-□--цц-
=Ъ C
R3
+ о-
K
\
Д
R4 П
U
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования эволюции отрицательной короны при наложении импульса напряжения на стационарное состояние.
^2 - балластные сопротивления; Л3 - переменное сопротивление для варьирования длительности т переднего фронта импульса напряжения; Л4 - токовый шунт; С - конденсатор для формирования импульса напряжения; К - ключ схемы формирования импульса напряжения; Д - делитель напряжения.
чтобы детально проследить эволюцию короны в азоте по мере увеличения тока, заканчивающуюся формированием искры в межэлектродном промежутке. Данная работа заполняет указанный пробел, и в ней представлены результаты экспериментальных исследований свойств отрицательной сильноточной короны в азоте для широкой токовой области и в различных экспериментальных условиях.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальные исследования проводились в цилиндрической газоразрядной камере из оргстекла с внутренним диаметром 120 мм и высотой 150 мм. В электродной системе острие -плоскость катодом являлся стержень, изготовленный из нержавеющей стали или вольфрама. В экспериментах варьировался как диаметр стержня (от 0.5 мм до 3 мм), так и радиус закругления его вершины (от 0.06 мм до 0.5 мм). В качестве плоского электрода использовался либо сплошной медный диск диаметром 110 мм, либо составной электрод, набранный из 9 концентрических колец, разделенных тонким слоем диэлектрика. Внешний диаметр секционированного анода составлял 80 мм. Межэлектродное расстояние варьировалось от 10 до 40 мм.
Для питания отрицательной сильноточной короны использовался стабилизированный (5U/U < < 10-6) высоковольтный источник регулируемого напряжения U до 30 кВ. Напряжение на межэлектродном промежутке измерялось электростатическим вольтметром С-196 и калиброванным вы-
соковольтным делителем, а усредненный ток короны - стрелочным прибором Ц4311. Балластное сопротивление во внешней цепи варьировалось от 1 МОм до 10 МОм.
Для наложения импульса напряжения на стационарно горящую отрицательную корону были разработаны и изготовлены специальные электрические схемы с использованием тиратронов ТГИ-400/16, которые позволяли формировать трапецеидальные 10-миллисекундные импульсы напряжения с амплитудой 3-16.5 кВ и регулируемой длительностью линейно нарастающего переднего фронта в пределах от 1 до 700 мкс (см. рис. 1). Регистрация поведения тока и напряжения разряда во времени осуществлялась осциллографами С8-17 и С1-104.
Исследования эволюции радиального распределения тока по аноду с ростом полного тока короны проводились с использованием секционированного анода. Регистрировался ток с каждой анодной секции, а также суммарный ток разряда. Измерения распределения тока проводились в двух режимах - стационарном и динамическом. В стационарном режиме токи на каждую анодную секцию измерялись микроамперметром. В динамическом режиме на стационарно горящую корону с током Is и напряжением Vs накладывался импульс напряжения с амплитудой Дм и линейно нарастающим передним фронтом (т - время нарастания) и с помощью нескольких осциллографов одновременно регистрировалась динамика тока на всех анодных секциях вплоть до перехода в искру. Более подробно методика исследования эволюции радиального распределения тока описана в [6].
Для проведения оптических измерений в боковую поверхность камеры были вмонтированы четыре оптических окна диаметром 50 мм, ориентированных попарно навстречу друг другу. Спектральные измерения короны выполнялись с помощью монохроматора МУМ-2 с дифракционной решеткой 1200 штр/мм, пространственное разрешение равнялось 0.8 нм, временное - 1 мкс. Электрическая регистрация излучения проводилась фотоумножителем ФЭУ-100, пристыкованном к выходу монохроматора.
В экспериментах использовался особо чистый азот (паспортная чистота 99.999% N2). Перед началом каждого эксперимента газоразрядная камера откачивалась до давления P = 10-3 Тор, а затем заполнялась азотом до давления, немного превышающего атмосферное (обычно P = 770 Тор). Исследования проводились как в режиме замкнутого объема, так и в режиме непрерывной прокачки газа. При этом скорость прокачки была небольшой (< 10-2 л/с), так что какое-либо газодинамическое воздействие потока на разряд отсутствовало.
I
В использованном азоте концентрация кислорода среди 0.001% остаточной примеси составляет при атмосферном давлении не более 1014 см-3. Наличие в эксперименте медленной прокачки азота гарантировало отсутствие накопления кислорода в камере сверх его паспортной концентрации, что в свою очередь гарантировало отсутствие в разряде отрицательных ионов кислорода с плотностью, близкой к плотности электронов. Приведем соответствующие оценки.
Остаточный кислород может создавать отрицательные ионы за счет диссоциативного и трех-тельного прилипания электронов:
е + 02
О- + О; е + 02 + N9
О- + N..
Первый процесс пороговый и может происходить достаточно эффективно только при больших величинах приведенного электрического поля, которые в нашем случае могут быть лишь в контрагированной области короны. Однако эта область сильно прогрета, в результате чего, во-первых, в ней сильно уменьшена концентрация кислорода (до МО = 2 х 1013 см-3), и, во-вторых,
отрицательные ионы кислорода в этой области термически разрушаются (известно [7], что в воздухе отрицательных ионов практически нет при Т > 1000°К) и рекомбинируют с положительными ионами. Полагая для ионов О- выполнение локального баланса каИО2пе = Р;;п+/N -, где
ка = 1012 см3/с [8] - коэффициент диссоциативного прилипания и р;; = 107 см3/с [8]- коэффициент ион-ионной рекомбинации для условий контрагированной области, получаем относительную долю отрицательных атомарных ионов
N
кМ о
кислорода
, которая в контрагиро-
Пе в;;п+
ванной области не может быть больше 2 х 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.