ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2008, том 82, № 6, с. 1156-1160
КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ И ЭЛЕКТРОХИМИЯ
УДК 541.13
ПРОБОЙ И ФОРМИРОВАНИЕ КАНАЛА МИКРОРАЗРЯДА В ПОВЕРХНОСТНОМ БАРЬЕРНОМ РАЗРЯДЕ
© 2008 г. В. И. Гибалов, И. С. Ткаченко, В. В. Лунин
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Химический факультет
E-mail: tcorporation@narod.ru Поступила в редакцию 27.06.2007 г.
Исследована динамика пространственно-временного развития скользящего (поверхностного) барьерного разряда в чистом кислороде при атмосферном давлении методом численного моделирования. Установлено, что пробой газового промежутка завершается формированием катодного слоя, распределение параметров в котором близко к распределению в "нормальном" катодном слое; катодный слой как источник электронов поддерживает формирование канала микроразряда над диэлектриком. Показано, что удлинение канала микроразряда вдоль диэлектрика осуществляется стримером, который формируется в голове канала, и сопровождается оседанием заряда на поверхность диэлектрического барьера, приводя к заметному снижению средней напряженности электрического поля в канале и соответственно к падению интенсивности разрядных процессов, а в конечном итоге к их прекращению.
В данной работе проведено численное моделирование динамики разрядных процессов в поверхностном скользящем барьерном разряде (рис. 1) в двухмерном приближении в предположении существования локального равновесия. Технические детали моделирования изложены в [1, 2]. Расчеты проводились для случая чистого кислорода при атмосферном давлении и отрицательном напряжении на высоковольтном электроде. Диэлектрик представлял собой стеклянную пластину толщиной 2 мм с величиной относительной диэлектрической проницаемости 8.4, сечение высоковольтного электрода представляло собой квадрат со стороной 3 мм. Конфигурация электрического поля определялась в трехмерном приближении с учетом поперечного размера канала микроразряда (согласно экспериментальным данным, 100 мкм [3]).
Ток разряда и катодный слой
Перенос заряда в скользящем барьерном разряде происходит вдоль поверхности диэлектрика, нормально к поверхности электродов, в тонких каналах - микроразрядах [4-7]. Движение заряженных частиц над диэлектриком приводит к появлению импульса разрядного тока в цепи питания [1] (рис. 2). Кроме того, поверхность катода служит источником эмиссионного тока, который вызывается как фотопроцессами на поверхности катода, так и ударной эмиссией положительных ионов [2, 3].
Было найдено, что фотопроцессы играют определяющую роль на начальной стадии разрядных процессов. Ток фотоэмиссии (кривая 2, рис. 2) опе-
режает основной ток в канале микроразряда. По мере нарастания разрядного тока роль фотопроцессов падает; в то же время появляется заметный эмиссионный ток (кривая 3, рис. 2), вызванный столкновениями положительных ионов с поверхностью катода. Указанные трансформации связаны с перестройкой конфигурации электрического поля вблизи катода, вызванной следующими причинами.
1. Вблизи катода появляется узкая область, в которой наблюдаются резкие градиенты плотности заряженных частиц и напряженности электрического поля, абсолютная величина которого достигает 1500 Тд (1 Тд = 1.1 х 10-17 В см2). Распределения плотности заряженных частиц, так же как и амплитуда напряженности электрического поля, в этой области соответствуют параметрам "нормального" катодного слоя.
Рис. 1. Разрядная ячейка поверхностного барьерного разряда; 1 - высоковольтные электроды, 2 - диэлектрик, 3 - микроразряды, 4 - заземленный электрод.
Рис. 2. Токи в разрядной ячейке: 1 - ток разрядной
ячейки в цепи питания, 2 - ток фотоэмиссии электронов с катода, 3 - ток ионной эмиссии.
2. Катодный слой вначале формируется в непосредственной близости от поверхности диэлектрика. В дальнейшем площадь катодного пятна на поверхности высоковольтного электрода увеличивается вдоль электрода в направлении "вверх" от поверхности диэлектрика (рис. 3). Центр катодного пятна находится в ~20 мкм от поверхности диэлектрика (рис. 3, 4).
3. Сформированный катодный слой имеет толщину ~20-30 мкм, его "поперечный" размер от диэлектрика до внешней границы составил ~50-70 мкм (рис. 3). Плотность тока на внешней границе катодного слоя достигает 250 А/см2.
4. Плотность положительных ионов в сформированном нормальном катодном слое максимальна непосредственно на поверхности катода и резко падает на его внешней границе. В то же время плотность электронов минимальна у катода и экспоненциально нарастает к границе катодного слоя (рис. 4).
5. По мере формирования катодного слоя, с ростом плотности положительных ионов вблизи катода, фотопроцессы замещаются ударной эмиссией электронов положительными ионами (рис. 2).
Рост площади катодного пятна происходит одновременно с нарастанием полного тока разряда. Более того, скорость роста площади катодного пятна определяет наклон переднего фронта тока разряда (кривая 1, рис. 2).
До определенного момента наличие диэлектрика никак не влияет на динамику разрядных процессов в газе. Пробой газового промежутка, формирование катодного слоя в скользящем барьерном разряде происходит так же, как и в любом другом электродном разряде. Специфика барьерного разряда начинает проявляться по мере накопления заряда на диэлектрике. Рост плотности заряда на поверхности диэлектрика приводит
-Ех(х = 0, у)/п, Тд
У, мм
Рис. 3. Изменение площади катодного пятна при развитии разрядных процессов в течение 1(1), 6(2), 11(3), 13(4) и 20 нс (5).
к уменьшению средней напряженности электрического поля. По этой причине сначала останавливается рост площади катодного пятна, а затем разрушается и сам катодный слой. Противоположные по своим результатам процессы: рост площади катодного пятна и накопление заряда на поверхности диэлектрика приводят к тому, что ток разряда замедляет свой рост, достигает максимума, а затем начинает падать (рис. 2).
Динамика канала микроразряда
С формированием катодного слоя появляется реальный источник электронов, который может поддержать появление и развитие канала микроразряда [5, 6]. Вблизи катода появляется анодона-правленный стример (рис. 5). Напряженность поля в стримере примерно вдвое выше напряженности в канале микроразряда и в несколько раз выше напряженности перед стримером. Движение стримера от катода вдоль поверхности диэлектрика осуществляется со скоростью ~3 х 106 см/с. Продвигаясь вдоль поверхности диэлектрика, стример оставляет за собой высокопроводящий канал микроразряда. По мере удлинения канала интенсивность процессов в стримере падает, а разрядный ток уменьшается на 30-40% от максимальной величины. И если к 15-й наносекунде длина канала достигает ~0.3-0.32 мм, то за последующие 75 нс канал удлиняется всего на 0.05 мм.
Высота канала микроразряда над диэлектриком постоянна и составляет ~15 мкм (рис. 5). Продольная напряженность электрического поля в
У, см
0.006
и о н
л ^
0.003
(а)
пе, 1/см3з х Ш13
1 х 1013
Н
(б)
0.004 0.008 X, см 0
Диэлектрик
П+п 1/См3[ х 1014
5 х 1013
0.004 0.008 X, см
Диэлектрик
Рис. 4. Распределение электронов (а) и положительных ионов (б) в катодном слое; t = 10 нс, белой стрелкой показана внешняя граница катодного слоя, к - высота микроразряда.
У, см
0.012
0.008
0.004
»1
0.02
0.04 X, см
0.02
0.04 X, см
Рис. 5. Распределение нормальной составляющей напряженности электрического поля в канале микроразряда в разные моменты времени: а - 10.0, б - 20.0 нс, белой стрелкой показана голова стримера, Ь - канал микроразряда.
канале микроразряда также постоянна и составляет ~100-120 Тд; нормальная компонента напряженности в канале близка к нулю (рис. 5).
Высокий уровень напряженности поля в канале микроразряда (~100 Тд) определяется электроотрицательностью кислорода. Равновесие между скоростью размножения и скоростью прилипания электронов в газе наступает при напряженности ~100 Тд, что практически на 2 порядка выше такой же величины в разрядном канале инертных и электроположительных газов. Такой высокий уровень напряженности электрического поля в канале микроразряда в кислороде определяет высокую эффективность процессов возбуждения, в
том числе диссоциации. По этой причине именно барьерный разряд является практически безальтернативной технологией синтеза озона в промышленных масштабах.
Максимум тока в цепи питания достигается практически одновременно с максимальной величиной плотности электронов и ионов в канале. При этом плотность электронов достигает уровня 3 х 1013 см-3 (рис. 4а), положительных ионов -1 х 1014 см-3 (рис. 46), отрицательных ионов - 7 х
х 1013
см
В то же время канал микроразряда
остается практически нейтральным, т.е. плотность полного заряда в канале микроразряда близка к
0
Рис. 6. Распределение нормальной компоненты напряженности поля на поверхности диэлектрика в различные моменты времени: 1 - 1, 2 - 20, 3 - 100, 4 -1000 нс.
нулю. Нейтральность полного заряда в канале нарушается только в катодном слое и в стримере.
Электроны в канале микроразряда двигаются вдоль поверхности диэлектрика, так как нормальная компонента напряженности электрического поля Еу отлична от нуля только вблизи головы стримера (рис. 6). Знак нормальной напряженности поля вблизи стримера определяет движение электронов в этой части канала по направлению к поверхности диэлектрика (рис. 6, 7). Следовательно, основная часть поверхностного заряда оседает при прохождении стримера. В дальнейшем плотность осевшего заряда меняется мало.
Суммарный заряд, накапливаемый на поверхности диэлектрика в результате диффузии и дрейфа частиц, имеет отрицательный знак (рис. 7). Во время активной части разрядных процессов, в интервале 15-25 не, когда ток разряда достигает своего максимума, накопление заряда на поверхности диэлектрика происходит наиболее интенсивно. Пятно заряда на диэлектрике растет вместе с длиной канала. Его плотность стабилизируется на уровне 25-30 нКл/см2 диэлектрика, что соответствует экспериментальным данным [7]. Этот заряд формирует свое электрическое поле, которое снижает среднюю напряженность поля, что в конечном
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.