ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010, том 36, № 1, с. 94-103
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМА
УДК 537.523.9, 537.523.2
ВЛИЯНИЕ ПОЛЯРНОСТИ НА СВОЙСТВА НАНОСЕКУНДНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА В ВОЗДУХЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ © 2010 г. М. М. Нуднова, Н. Л. Александров, А. Ю. Стариковский*
Московский физико-технический институт, Россия * Университет Вгвхв1, Филадельфия, Пенсильвания, США Поступила в редакцию 17.06.2009 г.
Экспериментально исследованы свойства наносекундного поверхностного барьерного разряда в воздухе атмосферного давления при различных полярностях приложенного напряжения. На основе спектроскопических измерений определено влияние полярности на пространственную структуру разряда и электрическое поле в разрядной плазме. Показано, что энерговклад в разряд практически не зависит от полярности и что разряд положительной полярности является более однородным и характеризуется более высокими электрическими полями.
РАСЯ: 52.80.Tn
1. ВВЕДЕНИЕ
Поверхностный барьерный разряд — это разряд, развивающийся вдоль поверхности диэлектрика, который разделяет два электрода. К одному из электродов прикладывают напряжение, а второй электрод обычно заземлен. Разряды такого типа интенсивно исследуются в последнее время в связи с перспективой их использования для управления ламинарно-турбулентным переходом и положением зон отрыва воздушных потоков вблизи твердых поверхностей при изменении параметров пограничного слоя [1, 2].
Теоретическое описание таких разрядов, как правило, сводится к численному моделированию, которое представляет собой трудоемкую вычислительную задачу из-за сложной пространственной структуры разряда. Успехи численного моделирования в настоящее время весьма умеренные и не позволяют количественно воспроизвести большинство измеряемых разрядных характеристик [3—10]. Поэтому основным источником количественной информации для разрядов такого типа является эксперимент.
В экспериментах [10—12] было показано, что свойства поверхностного барьерного разряда и возможности управления с его помощью воздушными потоками вблизи твердой поверхности существенно зависят от характерного времени действия прикладываемого напряжения. Оказалось, что использование разряда в наносекундном диапазоне напряжений позволяет существенно расширить диапазоны по числам Маха и Рейнольдса, в которых можно управлять воздушным потоком с помощью разрядной плазмы. При этом основные исследования в [10—12] были выполнены для
разряда отрицательной полярности. Целью данной работы было расширение указанных экспериментов на случай положительной полярности и сравнение полученных результатов с результатами [10-12].
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ
На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки. Поверхностный барьерный разряд зажигался в воздухе атмосферного давления между высоковольтным и низковольтным электродами (рис. 2), которые были выполнены из алюминиевой фольги толщиной 0.05 мм, шириной 5 мм и длиной 80 мм. Разделяющий электроды диэлектрик представлял собой пять слоев пленки ПВХ (поливинилхлорид) суммарной толщиной 0.6 мм или слой тефлона толщиной 0.3 мм. Нижний электрод был вмонтирован в диэлектрическую пластину.
Для инициирования разряда был использован генератор высоковольтных импульсов с магнитным сжатием ПАКМ и наносекундный генератор, построенный на FID (Fast Ionization Device). Амплитуда напряжения высоковольтного импульса генератора ПАКМ варьировалась от 10 до 20 кВ на выходе генератора. Время нарастания высоковольтного импульса и его длительность на полувысоте были, соответственно, 7.5 и 22 нс (рис. 3а). Генератор мог работать как в режиме одиночных импульсов, так и в периодическом режиме до частоты 100 Гц.
В случае высоковольтного импульса наносе-кундного генератора FID амплитуда напряжения на выходе из генератора достигала 12 кВ, время
Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 — разрядное устройство, 2 — диафрагма, 3 — собирающая линза, 4 — мо-нохроматор МДР-23, 5 — ПЗС камера PicoStar LaVision, 6 — генератор высоковольтных импульсов ПАКМ, 7 — генератор Г5-56, 8 — генератор Tektronix AGF3251, 9 — ПК, 10—11 — коаксиальный кабель РК-50-24-13, 12—13 — шунт обратного тока, 14 — осциллограф Tektronix TDS 3054.
нарастания импульса 3 нс и его продолжительность на полувысоте 7 нс (рис. 3б). Высоковольтный импульс передавался от генератора к разрядному устройству посредством кабеля ЯС-50-24-13. Для контроля параметров высоковольтных импульсов использовался шунт обратного тока, который был вмонтирован в середине кабеля в разрыв оплетки (см. рис. 1).
Для исследования пространственно-временных характеристик разряда были получены фотографии с наносекундной выдержкой при помощи высокоскоростной ПЗС камеры Р1ео81аг НЯ-12 фирмы LaVision с объективом НеИо8-44М. Минимальная выдержка камеры составляла 200 пс, спектральный диапазон системы — 350—800 нм. В ходе экспериментов камера фокусировалась перпендикулярно разрядному промежутку на плоскость, параллельную электродам.
В работе определялось приведенное электрическое поле Б/Ы N — плотность нейтральных частиц) в разряде на основе измерения интенсивности излучения первой отрицательной системы ионов азота и второй положительной системы молекул азота. Эта методика может быть применена, когда верхние электронные уровни указанных переходов возбуждаются прямым электронным ударом из основного состояния молекулы. В нашем случае использовался короткий (7 нс на полувысоте) высоковольтный импульс, и каскадные процессы вносили пренебрежимо малый вклад в заселение верхних состояний. Такая методика многократно применялась ранее для измерения приведенного электрического поля в стри-мерных и барьерных разрядах (см., например, [13-18]).
Временные зависимости интенсивности излучения первой отрицательной системы иона азота (391.7 нм) и второй положительной системы молекулы азота (337.1 нм) измерялись с наносекунд-ным разрешением. Для этого использовался фотоумножитель с мультищелочным фотокатодом (спектральный диапазон 170-650 нм). Необходимая полоса выделялась при помощи монохрома-тора МДР-41 (3000 штрихов/мм, дисперсия 0.95 нм/мм), который был установлен так, чтобы щель находилась напротив закрытого электрода. Ширины входной и выходной щелей монохрома-тора были 0.2 и 0.35 мм, соответственно. Измерения проводились как с диафрагмой, ограничивающей поле зрения монохроматора, так и без нее.
Вращательная и поступательная температуры молекул в разряде предполагались равными и измерялись методом эмиссионной спектроскопии
5 мм
—У—А.-7 V -АЛ /
Хг —Jy / sf---^r J /
1 5 мм \ 5
Рис. 2. Схема разрядного промежутка. 1 — нижний электрод, 2 — диэлектрический слой, 3 — верхний электрод, 4 — зона распространения разряда, 5 — диэлектрическая пластина.
Рис. 3. Зависимость приложенного напряжения от времени: а) — генератор ПАКМ (1 — падающий импульс, 2 — импульс, прошедший через разрядный промежуток); б) — наносекундный генератор FID (1 — падающий импульс, 2 — отраженный импульс).
по излучению второй положительной системы азота (337.1 нм). Поскольку одной из главных задач эксперимента было изучение динамики нагрева на малых (~1 мкс) временах после завершения разряда, для увеличения соотношения сигнал/шум и уменьшения влияния импульсной электромагнитной наводки рассматривались только спектры с неразрешённой вращательной структурой.
Для получения спектра второй положительной системы азота излучение разряда фокусировалось на входную щель монохроматора МДР-23 при помощи собирающей линзы диаметром 5 см и с фо-
кусным расстоянием 5 см (рис. 1). Линза находилась на расстоянии 7.5 см от поверхности разрядной системы и на расстоянии 12.5 см от щели монохроматора. В ходе эксперимента была использована решетка 1200 штрихов на миллиметр. Дисперсия монохроматора с данной решеткой составляла 1.2 нм/мм. Чтобы улучшить разрешение получаемого спектра, решетка устанавливалась таким образом, чтобы на выходную щель фокусировалось излучение второго порядка решетки. Благодаря этому была достигнута дисперсия 0.6 нм/мм. После монохроматора излучение проецировалось на фотокатод высокоскоростной ПЗС камеры Р1ео81аг. Выходная щель монохро-
матора была открыта полностью. Ширина входной щели выставлялась таким образом, чтобы обеспечить максимальное пространственное разрешение, и составляла 0.4 мм. Спектральное разрешение диагностической системы при этом было 0.25 нм. Генератор Tektronix AGF3251 (полоса частот 0—500 МГц) позволял генерировать импульсы с заданной задержкой и использовался для запуска усилителя высокоскоростной ПЗС камеры. Сигнал с высоковольтного генератора шел на запуск генератора задержанных импульсов. Для измерения температуры тяжелых частиц во время разрядной фазы время задержки AGF3251 подбиралось так, чтобы усилитель камеры включался в момент прихода высоковольтного импульса на разрядный промежуток. Время выдержки (время работы усилителя) ПЗС камеры задавалось генератором AGF3251 и равнялось 50 нс.
Для изучения динамики изменения температуры частиц в послесвечении разряда использовался высоковольтный импульс, отраженный от разомкнутого конца кабеля. В случае максимальной длины кабеля (100 м) время прохождения высоковольтного импульса от разрядного промежутка до разомкнутого конца и обратно равнялось 1 мкс. Генератор Tektronix AGF3251 формировал управляющий импульс с задержкой 1 мкс таким образом, чтобы ПЗС камера фиксировала излучение плазмы в заданный момент времени.
В ходе движения по кабелю длиной 100 м высоковольтный импульс существенно затухал. Мощность отраженного от разомкнутого конца импульса была в 10 раз меньше, чем мощность первичного импульса, и энерговклад от отраженного импульса не мог существенно исказить температуру в послесвечении разряда. Параметры импульса после прохождения разрядного устройства и после отражения от разомкнутого конца контролировались при помощи шунта обратного тока. На осциллограф Tektronix TDS3054 подавались сигналы с шунтов обратного тока и синхронизирующий сигнал с усилителя высокоскоростной ПЗС камеры.
Для получения значений темп
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.