ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 1, с. 18-22
УДК 537.525
ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕХОДА СЛАБОТОЧНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА С ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ ЭЛЕКТРОДОМ
В СИЛЬНОТОЧНЫЙ РАЗРЯД © 2015 г. Ал. Ф. Гайсин
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ E-mail: almaz87@mail.ru Поступила в редакцию 12.03.2014 г.
Представлены результаты экспериментального исследования перехода слаботочного высокочастотного емкостного разряда (ВЧЕР) с электролитическим электродом в сильноточный в диапазоне давления Р = 2 х 103—105 Па. Установлено существенное влияние давления на напряжение перехода слаботочного ВЧЕР в сильноточный. Показано, что при U > 3500 В сильноточный ВЧЕР со струей электролита переходит в факельную форму разряда. В случае погружения стальной пластины в электролит напряжение перехода слаботочного ВЧЕР в сильноточный значительно возрастает. Обнаружено, что "стримерные разряды" способствуют переходу слаботочного ВЧЕР в сильноточный с электролитическим электродом.
Б01: 10.7868/80040364415010068
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что эффективным методом модификации различных материалов является обработка в плазме высокочастотного емкостного разряда (ВЧЕР) между твердыми электродами (например, [1, 2]). Этот вид разряда характеризуется следующими параметрами: концентрация электронов пе = 1017—1019 м3, температура электронов Те = = 1—3 эВ, температура тяжелых частиц Т = 0.27 эВ. Слаботочный ВЧЕР представляет идеальную возможность для создания эффективных лазеров [3, 4], а сильноточный является полезным для ионной обработки поверхности материалов и изделий. В настоящее время низкотемпературная плазма ВЧЕР с жидкими электродами практически не изучена. Не установлены физическая сущность процесса модификации и влияние структурно-фазовых изменений на свойства материала. Немногочисленные исследования ВЧЕР с жидкими электродами показывают, что этот вид разряда обладает большими возможностями по сравнению с ВЧЕР между твердыми электродами [5, 6], а также с тлеющим разрядом постоянного тока с жидкими электродами [7—14]. Использование неравновесной плазмы слаботочного и сильноточного ВЧЕР с жидкими электродами несомненно открывает новые возможности его практического использования [5, 6].
Целью данной работы является изучение особенности перехода слаботочного ВЧЕР в сильноточный с жидкими электродами в широком диапазоне давления Р = 2 х 103—105 Па.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Описание экспериментальной установки для исследования перехода слаботочного ВЧЕР с электролитическим электродом в сильноточный приведено в [6]. Разрядная камера для исследования ВЧЕР с металлическим электродом, погруженным в электролит, состоит из непроточной электролитической ячейки и устройства для закрепления металлического электрода. Потенциалы от высокочастотного источника питания подаются на нижнюю медную пластину, которая находится в электролитической ячейке, и металлический электрод, погруженный в электролит — раствор NaCl в технической воде. Глубина погружения стальной пластины — 10 мм.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования особенности перехода слаботочного ВЧЕР с электролитическим электродом в сильноточный проводились в диапазоне давления P = 2 х 103—105 Па, напряжения U = 1.5—4 кВ, тока разряда I = 0.7—5 А, длины струи электролита 1с = 10—25 мм, диаметра струи dс = 3—5 мм и скорости движения электролита v = 0.9—2 м/с. Размеры стальной пластины, погруженной в электролит, составляли S = 40 х 40 мм2.
На рис. 1 представлены результаты видеосъемки на камеру "Sony HDR-SR72E" особенностей перехода слаботочного ВЧЕР в сильноточный с электролитическим электродом. Из рис. 1а вид-
(а)
(б)
(д)
(е)
(ж)
Г
4
Рис. 1. Фотографии перехода слаботочного в сильноточный ВЧЕР со струйным электролитическим электродом при пониженном давлении Р = 2000 Па, 1с = 20 мм, V = 0.9 м/с. Электролит — 3%-ный йодированный раствор №С1 в технической воде: (а) - и = 1000 В, (б) - 1500, (в) - 2000, (г) - 2100, (д) - 2500, (е) - 2600, (ж) - 2700, (з) - 2400.
Рис. 2. Фотографии перехода слаботочного в сильноточный ВЧЕР со струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении, 1с = 20 мм, V = 0.9 м/с. Электролит — 3%-ный йодированный раствор №С1 в технической воде: (а) — и = 1000 В, (б) - 1500, (в) - 2000, (г) - 2500, (д) - 3000, (е) - 3500.
(а) (б)
1 9 7
8 7 у д
п
но, что при пониженном давлении Р = 2000 Па и и = 1000 В горит слаботочный ВЧЕР, где пятно охватывает медную трубку 1 и струю электролита 2. С ростом напряжения от 1000 до 1500 В форма разряда меняется (рис. 1б). Горит слаботочный
ВЧЕР неоднородного темно-сиреневого цвета между и-образным пятном на поверхности медной трубки, струей электролита 2 и проточным электролитом 3. В плазменном столбе (ПС) наблюдаются точечные пятна. С увеличением напря-
Рис. 3. Фотографии перехода слаботочного в сильноточный ВЧЕР со стальной пластиной, погруженной в непроточный электролит при атмосферном давлении. Электролит — 3%-ный йодированный раствор №С1 в технической воде: (а) — и= = 2000 В, (б) - 5500, (в) - 6000.
жения от 1500 до 2000 В неоднородность ПС слаботочного ВЧЕР существенно увеличивается. Это объясняется тем, что на поверхности медной трубки появляются "стримерные разряды" 4 (рис. 1в-1з), которые имеют белые пятна диаметром 2-3 мм и хвост зеленого цвета [6]. Это название принято условно в связи с тем, что они очень похожи на стримеры в процессе развития электрического пробоя, как и в [6]. Эти разряды 4 разрывают и-образ-ное пятно на поверхности медной трубки (рис. 1в и 1г). В данном случае, в отличие от [6], они наблюдаются без фона с другими медными элементами разрядной камеры. Установлено, что "стример-ные разряды" способствуют переходу в сильноточный ВЧЕР (рис. 1д и 1е), который происходит при и = 2500 В. И они наблюдаются также в случае сильноточного ВЧЕР (рис. 1е и 1ж). Но в этом случае они существенно различаются размерами. Диффузный хвост "стримерного разряда" 4 расслаивается на части с различными интенсивно-стями излучения белого, желтого и зеленого цвета. Если в случае слаботочного разряда размер белого пятна на поверхности медной трубки составляет ~2-3 мм, то в случае сильноточного ВЧЕР он достигает ~5-6 мм. Если происходит обратный переход от сильноточного ВЧЕР в слаботочный, "стримерный разряд" отделяется от поверхности медной трубки и струйного электролита (рис. 1з).
На рис. 2 представлен переход слаботочного ВЧЕР в сильноточный со струйным электролитическим электродом при атмосферном давлении. Струя электролита из 3%-ного раствора №С1 служит электродом. Как видно из рис. 2а, вдоль поверхности верхней половины струи наблюдаются точечные пятна 5, а в месте пересечения струи с воронкой электролита 6 горит слаботочный ВЧЕР. В данном случае он горит между струей электролита и внутренней поверхностью воронки 6. С ростом и от 1000 до 1500 В появляются пульсирующие струи плазмы 7-9 с края воронки. Это объясняется тем, что слаботочный ВЧЕР начинает гореть между струей и медной поверхностью внутри воронки. Если и увеличить еще больше от 1500 до
2000 В, поверхность медной пластинки будет распыляться (рис. 2в), что приведет к одновременной очистке и полировке поверхности медной пластины внутри воронки с использованием слаботочной ВЧЕР со струйным электролитом. Распыление поверхности меди подтверждается тем, что наблюдается интенсивное зеленое свечение в пульсирующих плазменных струях 7-9. С дальнейшим ростом напряжения от 2000 до 2500 В происходит переход слаботочного ВЧЕР со струйным электролитом в сильноточный ВЧЕР (рис. 2г), который горит между струей и проточным электролитом. При увеличении напряжения от 2500 до 3500 В наблюдается переход сильноточного ВЧЕР со струей электролита в факельную форму (рис. 2д и 2е).
На рис. 3 представлен переход слаботочного ВЧЕР со стальной пластиной, погруженной в непроточный электролит, при Р = 105 Па. Слаботочный ВЧЕР кратковременно наблюдается с правой стороны стальной пластинки с образованием поперечных волн на поверхности электролита (и = = 2000 В). С ростом и от 2000 до 5500 В происходит скачкообразный переход слаботочного разряда с нижней части стальной пластины в сильноточный ВЧЕР (рис. 3б). Если увеличить напряжение еще больше до 6000 В, то сильноточный ВЧЕР между стальной пластинкой и непроточным электролитом охватывает всю поверхность пластины. Такой сильноточный разряд можно использовать для модификации поверхности материалов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Изучены особенности перехода слаботочного высокочастотного емкостного разряда в сильноточный ВЧЕР со струйным электролитическим электродом в диапазоне Р = 2 х 103-105 Па, а также с погруженной в непроточный электролит стальной пластиной при атмосферном давлении.
2. Установлено, что давление существенно влияет на напряжение перехода слаботочного
ВЧЕР в сильноточный, а "стримерные разряды" способствуют переходу слаботочного в сильноточный ВЧЕР с электролитическим электродом.
3. Обнаружено, что при обратном переходе сильноточного ВЧЕР в слаботочный "стример-ные разряды" начинают отделяться от поверхности медной трубки для подачи струи электролита. Показано, что при U > 3500 В сильноточный ВЧЕР со струей электролита переходит в факельную форму.
Работа выполнена по плану Научной школы НШ-1800.2014.8 (научный руководитель НШ -Сон Э.Е.).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абдуллин И.Ш., Желтухин В.С., Сагбиев И.Р., Шаехов М.Ф. Модификация нанослоев в высокочастотной плазме пониженного давления. Казань: Казан. гос. технол. ун-т, 2007. 354 с.
2. Абдуллин И.Ш., Желтухин В.С., Кашапов Н.Ф. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения. Казань: Казан. гос. технол. ун-т, 2000. 348 с.
3. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. М.: Наука, 1980. 414 с.
4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987. 588 с.
5. Bruggeman P., Christophe L. Non-Thermal Plasma in Liquids and in Contact with Liquids (Topical Review) // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. V. 42. 053001.
6.
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.