научная статья по теме ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ЕМКОСТНОЙ РАЗРЯД С НЕПРОТОЧНЫМ И КАПЕЛЬНО-СТРУЙНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ ЭЛЕКТРОДАМИ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ЕМКОСТНОЙ РАЗРЯД С НЕПРОТОЧНЫМ И КАПЕЛЬНО-СТРУЙНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ ЭЛЕКТРОДАМИ»

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА

УДК 537.5

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ЕМКОСТНОЙ РАЗРЯД С НЕПРОТОЧНЫМ И КАПЕЛЬНО-СТРУЙНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ ЭЛЕКТРОДАМИ

© 2014 г. Ал. Ф. Гайсин, И. Ш. Абдуллин*, Р. Ш. Басыров, Р. М. Хазиев, Г. Т. Самитова, Э. Ф. Шакирова

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева,

Республика Татарстан, Россия * Казанский национальный исследовательский технологический университет, Республика Татарстан, Россия e-mail: LShGasimova@kai.ru, almaz87@mail.ru Поступила в редакцию 04.02.2014 г. Окончательный вариант получен 11.07.2014 г.

Представлены результаты экспериментального исследования формы, структуры и спектральных характеристик высокочастотного емкостного разряда между капельно-струйным электролитическим электродом и электролитической ячейкой в атмосфере воздуха в диапазоне давления P = 103— 105 Па, а также для сравнения приведены опытные данные по разряду между медным штыревым электродом и поверхностью непроточного электролита при атмосферном давлении. Установлено, что между штыревым электродом и поверхностью электролита из насыщенного раствора NaCl в технической воде горит многоканальный разряд, который при напряжениях U > 3500 В переходит в факельный разряд. Выявлены особенности горения разряда с капельным электролитическим электродом. Обнаружены разряды различной формы вдоль поверхности медной трубки и струйного электролитического электрода.

DOI: 10.7868/S0367292114120038

1. ВВЕДЕНИЕ

Плазма высокочастотного емкостного разряда (ВЧЕР) пониженного давления между твердыми электродами широко используется для модификации поверхности материалов органической и неорганической природы. ВЧЕР позволяет проводить очистку, полировку поверхности, нанесение тонкопленочных покрытий, упрочнение поверхностного слоя, повышение усталостной прочности, износостойкости и срока службы материалов и изделий [1, 2].

Основы физики ВЧЕР между твердыми электродами изложены в [3, 4]. В последнее время ряд работ посвящен исследованию характеристик электрических разрядов в жидкости и в газах с жидкими электродами [5—16]. Однако экспериментальных данных по высокочастотным емкостным разрядам с жидкими электродами очень мало [17]. Из немногочисленных экспериментальных работ следует, что исследования ВЧЕР с жидкими электродами могут привести к интересным научным результатам и открыть новые технологические возможности [17]. Неравновесная плазма ВЧЕР с жидкими электродами более сложна, чем плазма электрических разрядов постоянного тока; фундаментальное понимание ее физики остается пока недоступным. Основной

причиной является ограничение числа подходящих для диагностики методов.

Цель данной работы — изучение особенностей высокочастотного емкостного разряда между ка-пельно-струйным электролитическим электродом и электролитической ячейкой в широком диапазоне давления, а также ВЧЕР между медным штыревым электродом и поверхностью непроточного электролита при атмосферном давлении.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальная установка позволяет исследовать ВЧЕР в диапазоне давления P = 103— 105 Па при напряжении U = 1000—6000 В, межэлектродном расстоянии между медным штыревым электродом и электролитом le = 1—5 мм и длине струйного электролита l = 10—50 мм.

Схема установки для изучения ВЧЕР с капель-но-струйными электролитами, а также между медным штыревым электродом и электролитом, оснащенной спектрометром USB4000 компании Ocean Optics с оптоволоконным вводом излучения, представлена на рис. 1. Спектрометр и световод настроены на диапазон длин волн 190— 410 нм. Фотоприемная матрица спектрометра

Вход световода со сканированием по X и Z

USB кабель

Персональный компьютер

Рис. 1. Схема экспериментальной установки со спектрометром и8В4000: 1 — трубчатый медный электрод; 2 — непроточный электролит; 3 — капельно-струйный электролит.

(CCD) имеет 3648 элементов на весь спектральный диапазон. Корректировка длины волны производилась по ртутной лампе, а корректировка чувствительности — по фотометрическому калиброванному источнику DN 2000 (дейтериевая лампа). Изображение разряда при помощи линзы, изготовленной из плавленого кварца, проецировалось на плоскость размещения торца световода. Излучение разряда снималось через кварцевое окно, расположенное на стенке вакуумной камеры. Сканирование торца световода по X и Z координатам по плоскости изображения позволило контролировать зону разряда с возможностью построения пространственных характеристик. Перед линзой устанавливалась диафрагма, регулирующая собираемый световой поток.

Вакуумная система состоит из основания и колпака, вакуумного насоса типа 2НВР-5ДМ. В колпаке имеется стандартное окно с диаметром 100 мм, закрываемое оптическим стеклом из кварца, которое служит для наблюдения, фотографирования и снятия спектра ВЧЕР. Внутри камеры находится электролитическая ванна, которая заполнена электролитом. На дне электролитической ванны находится заземленная стальная пластина. Штыревой электрод подключен к клемме источника питания и закреплен на устройстве, позволяющем регулировать межэлектродное расстояние.

Разрядное устройство для изучения ВЧЕР с ка-пельно-струйным электролитом отличается от случая разряда между медным штыревым электродом 1 и непроточным электролитом 2 (рис. 1). Расход электролита регулируется с помощью кра-

ника 1 (фотография рис. 2). Электролит через краник подается в специальную медную трубку 2, которая формирует струю электролита 3. Держатель 4 медной трубки опирается на края нижней электролитической ванны 5. Стойка 6 обеспечивает устойчивое положение и движение крышки камеры вниз или вверх для получения ВЧЕР для различной длины струи. Треугольная электороли-тическая ячейка 7 заземлена с помощью провода 8. Медная трубка для формирования струи электролита подключена к источнику питания. Источником питания служит генератор ВЧГ8-60/13, настроенный на частоту 13.58 МГц. Давление измеряется вакуумметром модели 1227, класса точности 0.25. Колебания напряжения и тока ВЧЕР снимались с экрана двухканального цифрового осциллографа типа АСК-2067, и видеосъемка разряда осуществлялась на видеокамеру Sony HDR-SP72E (25 кадров в секунду). Проде-лывался покадровый анализ ВЧЕР. Регистрация параметров ВЧЕР проводилась не менее 7 раз. Расход электролита G определяется с помощью мензурки и секундомера. Скорость вычислялась

по формуле v = G/= G/рп(d) , где р — плотность электролита, S, d — площадь сечения и диаметр струи электролита соответственно.

3. ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Опыты с высокочастотным емкостным разрядом между капельно-струйным электролитиче-

Рис. 2. Разрядная камера для изучения ВЧЕР с ка-пельно-струйным электролитом: 1 — краник для регулировки расхода электролита; 2 — медная трубка для формирования струи электролита; 3 — струя электролита; 4 — держатель с припаянной медной трубкой;

5 — электролитическая ванна для сбора электролита;

6 — устройство для обеспечения устойчивого положения разрядной камеры; 7 — электролитическая ячейка треугольной формы; 8 — провод для заземления.

1

ским электродом и электролитической ячейкой в атмосфере воздуха проводились в диапазонах давления Р = 104—105 Па, напряжения и = 1000— 6000 В, длины струйного электролита I = 20— 50 мм при диаметре струи электролита d = 3 мм, расходе и скорости струи электролита О = 6.2 г/с и V = 0.9 м/с. Для сравнения проведены эксперименты с ВЧЕР между медным штыревым электродом диаметром 5 мм и непроточным электролитом при атмосферном давлении и межэлектродном расстоянии 1е = 3 мм. В качестве электролита использовался насыщенный йодированный раствор №С1 в технической воде.

На фотографиях рис. 3 представлены различные формы ВЧЕР между штыревым электродом и непроточным электролитом. Как видно из рис. 3а, при малых напряжениях и = 1000 В и в случае, когда медный электрод не успевает нагреваться, горит шипящий многоканальный ВЧЕР (позиция 3) между штыревым электродом 1 и непроточным электролитом 2. С ростом и от 1000 до 1500 В медный электрод нагревается, и многоканальный ВЧЕР с тремя микроканалами (позиция 3 рис. 3б) охватывает ореол 4. С дальнейшим ростом напряжения от 1500 до 2000 В ореол вокруг многоканального ВЧЕР увеличивается еще больше. Количество микроканалов (позиция 3 рис. 3в) уменьшается от трех до двух. Диаметр пятен микроразрядов на поверхности электролита увеличивается (рис. 3в). Если еще больше увеличить напряжение от 2000 до 2500 В, то многоканальный ВЧЕР переходит в объемный высокочастотный разряд конусообразной формы с ореолом 3 (рис. 3г). При и = 3500 В объемный ВЧЕР конусообразной формы отрывается от поверхно-

(д)

Рис. 3. Фотографии развития ВЧЕР между штыревым электродом и непроточным электролитом при атмосферном давлении: а) — многоканальный ВЧЕР без ореола при и = 1000 В (1 — медный электрод диаметром 5 мм, 2 — электролит, 3 — многоканальный разряд); б) — многоканальный ВЧЕР с ореолом и тремя микроканалами при и = 1500 В (1 — медный электрод, 2 — электролит, 3 — пятна микроразряда на поверхности электролита, 4 — ореол); в) — многоканальный ВЧЕР с ореолом и двумя микроканалами при и = 2000 В (1 — медный электрод, 2 — электролит, 3 — пятна микроразряда на поверхности электролита, 4 — ореол); г) — объемный ВЧЕР конусообразной формы с ореолом при и = 2500 В (1 — медный электрод, 2 — электролит, 3 — объемный ВЧЕР конусообразной формы с ореолом); д) — ВЧЕР факельной формы при и = 3500 В (1 — медный электрод, 2 — электролит, 3 — факельный разряд с ореолом).

сти электролита и переходит в факельную форму с ореолом (рис. 3д, позиция 3).

Особенности горения ВЧЕР вдоль струи электролита представлены на фотографиях рис. 4 и 5 для различных давлений и напряжений. Как видно из рис. 4а, верхнюю половину струи занимают точечные пятна (позиция 3), а в нижней половине горит объемный ВЧЕР сферической формы. С ростом напряжения разряда и от 1000 до 1500 В значительную часть верхней половины струи электролита занимают пятна кольцевой формы (рис. 4б, позиция 3). В месте пересечения струй-

3

• (б) ""2

г3 2

--5 ____4 2 (д) И (е)

2

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.

Показать целиком