ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 12, с. 1088-1104
^ ^^^^^^ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ
ПЛАЗМА
УДК 533.9
СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТНЫХ СТРИМЕРОВ БАРЬЕРНОЙ КОРОНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В АРГОНЕ
© 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 19.12.2003 г.
Окончательный вариант получен 16.04.2004 г.
Приводятся результаты экспериментальных исследований структуры поверхностного разряда переменного тока, возбуждаемого металлическим острием над плоским диэлектриком. Барьерная корона создавалась в аргоне при атмосферном давлении и частотах синусоидального напряжения от 50 Гц до 30 кГц. Эксперименты проводились в условиях, при которых площадь диэлектрика, покрываемая плазмой поверхностного разряда, увеличивалась с ростом амплитуды приложенного напряжения. Регистрация структуры разряда в режимах с диффузной плазмой и ветвящимися по поверхности стримерами проводилась с использованием цифрового фотоаппарата и быстродействующего электронно-оптического преобразователя в режиме кадровой съемки. Обнаружено сильное различие в структуре поверхностного разряда в положительном и отрицательном полупериодах приложенного напряжения. Определены статистические характеристики ветвящихся поверхностных стримеров в зависимости от полярности полупериода и частоты синусоидального напряжения. Установлены наиболее интенсивные линии в спектре излучения барьерной короны в обоих полупериодах. Проведена корреляция динамики излучения с изменениями тока и напряжения разряда.
1. ВВЕДЕНИЕ
Сильноточный поверхностный разряд, распространяющийся перпендикулярно от протяженного электрода по плоской поверхности диэлектрика, известен достаточно давно и получил название "скользящего" разряда [1]. Принципиальная схема устройства, создающего импульсный поверхностный разряд, приведена на рис. 1. Фактически это плоский конденсатор с переменной емкостью, у которого в исходном состоянии площадь заземленной пластины много больше площади пластины (полоски), на которую подается высоковольтный импульс напряжения. После подачи импульса возникает пробой газа у металлической полоски, и от нее вдоль поверхности диэлектрика начинает распространяться волна ионизации, покрывающая диэлектрик тонким слоем высокопроводящей плазмы (плазменным листом). При постоянной амплитуде высоковольтного импульса ток разряда через диэлектрик обеспечивается током смещения за счет нарастающей во времени емкости распределенного конденсатора, одной из обкладок которого является плазменный лист. В таком случае, скользящий поверхностный разряд может длиться до тех пор, пока плазма не заполнит площадь, равную площади заземленной обкладки конденсатора. В случае напряжения, нарастающего во времени, ток разряда может поддерживаться и после заполнения плазмой указанной площади.
Как правило, импульсный сильноточный скользящий разряд характеризуется очень боль-
шой интенсивностью энерговыделения на границе плазма-диэлектрик, что не позволяет использовать данный режим поверхностного разряда при работе с термически нестойкими диэлектрическими материалами. Предметом исследования данной работы является слаботочный поверхностный разряд переменного тока, возбуждаемый острием, расположенным над диэлектриком. Этот разряд характеризуется малой плотностью тока (не более 10 мА/см2) на поверхности и невысокой плотностью энергии (не более 10 Вт/см2), выделяемой на диэлектрике.
Слаботочные поверхностные разряды при атмосферном давлении также как и слаботочные объемные разряды (т.е. стационарные и импульсные коронные разряды [2-5]) реализуются в диффузной и/или стримерной формах в самых разных
3
Рис. 1. Схема, поясняющая принцип создания импульсного сильноточного разряда, скользящего по диэлектрической поверхности: 1 - высоковольтный электрод, 2 - заземленный электрод, 3 - форма высоковольтного импульса.
U(t)
2
I(t) 4
*Uacosrat
Рис. 2. Схема экспериментальной установки для исследования барьерной короны в аргоне атмосферного давления. а) - электротехническая схема; б) - вид сверху на электродную систему: 1 - острие; 2 - плоский электрод; 3 - диэлектрический барьер из полимерной пленки; 4 - малоиндуктивный токовый шунт; 5 - делитель напряжения; 6 - балластное сопротивление; 7 - поверхностные стримеры; 8 - диэлектрический экран.
(Здесь изображена электродная система, соответствующая ограниченному поверхностному разряду).
8
7
1
3
6
5
газах, электродных системах и в широком диапазоне токов и напряжений: в классических барьерных разрядах [6], в переходных разрядах ("surface partial discharges") [7], кратковременно возникающих на диэлектрической поверхности при наложении импульса какой-либо одной полярности, а также в барьерной короне переменного тока [8]. В таком случае выяснение условий, обеспечивающих существование диффузного и стримерного режимов слаботочных поверхностных разрядов, а также исследование структуры каждого из режимов представляют большой научный и практический интерес.
При этом необходимо учитывать, что имеется большая разница в условиях распространения поверхностных стримеров при использовании униполярных импульсов или переменного напряжения, а также при использовании точечного или протяженного электрода, к которому прикладывается высокое напряжение. Так, в случае униполярных импульсов стримеры распространяются по незаряженной поверхности диэлектрика, в то время как при переменном напряжении стримеры в каждом полупериоде распространяются по диэлектрической поверхности, заряженной в предыдущем полупериоде.
При использовании длинного стержня (или полоски) от него могут одновременно распространяться много близко расположенных и параллельных друг другу стримеров (см. [9]). В такой ситуации ветвление стримеров может быть затруднено. При использовании острия (точечный электрод), помещенного над диэлектриком, ветвление поверхностных стримеров может быть более выраженным (см., например, [8]).
В данной работе, являющейся продолжением [7], подробно исследована динамика излучения и пространственно-временная структура диффуз-
ного и стримерного режимов поверхностного разряда в барьерной короне переменного тока в аргоне в геометрии острие-плоскость. В отличие от обычной короны в барьерной короне металлическая плоскость покрыта диэлектриком, являющимся барьером для постоянного тока.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2. Исследования разряда проводились с использованием цилиндрической камеры из оргстекла с внутренним диаметром 200 мм и высотой 100 мм. Внутри камеры смонтирована электродная система типа острие-плоскость, состоящая из медного диска диаметром 120 мм с закругленными краями и острийного электрода (игла) из нержавеющей стали. Форма острия - параболоид с радиусом закругления на конце 50 мкм. На плоский электрод помещались полимерные пленки из полиэтилена, тефлона, лавсана, а также пластины из других диэлектрических материалов, полностью закрывавших металлическую поверхность. Толщина пленок варьировалась в пределах 15-80 мкм. Толщина диэлектрических пластин достигала 1 мм. Расстояние от вершины острия до диэлектрической пленки/пластины в большинстве случаев равнялось 0.5-1 мм.
В ряде экспериментов на диэлектрическую пленку наклеивался толстый диэлектрический диск с вырезом в виде сектора с углом 60°. Толщина диска немного превышала расстояние между кончиком иглы и пленкой так, что площадь, доступная поверхностному разряду, ограничивалась указанным сектором. В этих экспериментах кончик иглы помещался не в вершине сектора, а был смещен от нее на 5 мм вдоль биссектрисы сектора внутрь него. Это уменьшало площадь
I, мкА 800
600
400
200
■_□_I_п_L
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
и, кВ
Рис. 3. Зависимость среднего тока ограниченной сектором барьерной короны от амплитуды приложенного напряжения в положительном (1) и отрицательном (2) полупериодах. Частота напряжения/ = 1 кГц.
разряда и позволяло улучшить пространственное разрешение поверхностных стримеров, регистрируемых с помощью электронно-оптического преобразователя (ЭОПа). Для проведения оптических измерений в верхний фланец камеры (над разрядом) было вмонтировано оптическое окно диаметром 100 мм.
Синусоидальное электрическое напряжение подавалось на острие от генератора через балластное сопротивление Я = 300 кОм. Частота питающего напряжения варьировалась от 50 Гц до 30 кГц, амплитуда - до 4.5 кВ. Форма и амплитуда напряжения на разрядном промежутке регистрировались с помощью компенсированного ЯС-де-лителя напряжения, сигнал с которого подавался на запоминающие осциллографы ТеЙгои^ ТББ-520 и С8-17. На эти осциллографы подавались и токовые сигналы с малоиндуктивного шунта Яш = 50 Ом. При измерении среднего за полупериод тока вместо шунта использовали стрелочный микроамперметр, подключенный последовательно к разрядному промежутку через диод, который пропускал ток либо положительного, либо отрицательного полупериодов. Для предохранения микроамперметра от механических повреждений параллельно ему был подсоединен конденсатор, чтобы пропустить высокочастотную составляющую тока.
В экспериментах использовался аргон высокой чистоты (99.99%). Все исследования выполнены при давлении, слегка превышающим атмосферное (Р = 770 Тор). Перед началом экспериментов газоразрядная камера откачивалась до давления Р = 103 Тор, затем заполнялась рабочим газом до требуемого давления. В целях сохранения паспортной чистоты аргона все эксперименты проводились при слабой прокачке газа через разрядную камеру.
Структура поверхностных стримеров барьерной короны исследовалась с помощью ЭОПа, работающего в кадровом режиме. Время экспозиции кадра варьировалось в пределах 1-20 мкс. С помощью специальной электронной схемы запуск ЭОПа можно было синхронизовать с любой интересующей фазой разрядного напряжения. Изображение поверхностного разряда проецировалось на фотокатод ЭОПа с уменьшением 1 : 5. Фотографирование разряда при большей экспозиции проводилось с помощью цифровой камеры Olympus E-100RS и фотоаппарат
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.