ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2009, том 35, № 7, с. 603-610
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА С МНОГООСТРИЙНЫМ КАТОДОМ В ПОТОКЕ АРГОНА
© 2009 г. Б. Б. Балданов
Отдел физических проблем при Президиуме Бурятского научного центра СО РАН, Улан-Удэ, Россия
Поступила в редакцию 21.10.2008 г. Окончательный вариант получен 10.12.2008 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований многоострийной отрицательной короны при атмосферном давлении в потоке аргона. Уменьшение шага расположения острий, наличие прокачки газа через разрядный промежуток и регулируемые балластные сопротивления на ко-ронирующих остриях позволяют стабилизировать разряд и увеличить токовую область существования разряда.
РАСЯ: 52.80.Hc
1. ВВЕДЕНИЕ
В последние годы возрос интерес к исследованию неравновесной низкотемпературной плазмы атмосферного давления и к способам ее генерации. Во многом это связано с перспективами применения плазменных технологий в различных областях науки и техники: очистка задымленных газов, генераторы озона, плазмохимические реакторы [1—4].
Одним из эффективных способов генерации неравновесной низкотемпературной плазмы является тлеющий разряд атмосферного давления (ТРАД) на основе коронного разряда [5, 6]. Основные преимущества ТРАД в сравнении с барьерным и коронным разрядами — высокая объемная однородность горения, экономичность, возможность масштабирования конструкции в широких пределах. Для реализации ТРАД необходимо использование специальных мер стабилизации отрицательной короны, при этом удается существенно отодвинуть токовую границу появления искры в электроотрицательном [7—10] и в электроположительном газе [11—13]. В таком случае в токовой области между известными формами разряда — короной и искрой — возникает новый вид разряда: диффузный тлеющий разряд при атмосферном давлении, создающий стационарную и однородную неравновесную плазму по всему объему межэлектродного промежутка [7]. Повышенный интерес к изучению перехода им-пульсно-периодического режима отрицательной короны в режим ТРАД в настоящее время обусловлен возможностью использования ТРАД как нового перспективного источника неравновесной плазмы атмосферного давления [8—10].
Для создания ТРАД наибольшее распространение получила электродная система с корониру-ющими остриями и плоским анодом (см., напри-
мер, [7, 14, 15]), которая характеризуется большой надежностью и виброустойчивостью по сравнению с протяженными проволочными системами. Данный способ генерации ТРАД позволяет реализовать в межэлектродном промежутке высокие, по сравнению с классической отрицательной короной в геометрии острие — плоскость, плотности тока J ~ 10 мА/см2 и электрического поля Б/Ы ~ 75—100 Тд N — плотность газа) [7]. Уникальные свойства реализованного разряда стимулируют исследования на повышение эффективности работы системы (см., например, [15—17]). В [15] проведено исследование многоострийной отрицательной короны с целью выяснения условий достижения максимальных значений предельного тока, соответствующего искровому пробою разрядного промежутка. В работах [16, 17] исследуется взаимосвязь параметров потока, распределения напряжения и тока разряда по катодным элементам секционированной катодной платы.
Для оптимизации работы газоразрядных устройств на основе коронного разряда и для целенаправленной разработки и конструирования новых приборов, необходимо всестороннее изучение физических процессов, протекающих в низкотемпературной слабоионизированной плазме разряда. Вместе с тем, исследование коронного разряда в воздухе и различных газовых смесях связано с большим многообразием и сложностью протекающих в низкотемпературной плазме явлений и их недостаточной изученностью [6]. Поэтому актуальной задачей является исследование коронного разряда в чистых атомарных газах, в которых физические процессы изучены достаточно полно [18].
Целью данной работы является экспериментальное исследование взаимосвязи потока газа,
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — высоковольтный делитель; 2 — вольтметр; 3 — анод; 4 — катодный узел; 5 — электронный осциллограф; 6 — микроамперметр; 7 — безынерционный шунт; 8 — балластные сопротивления.
распределения тока разряда, а также номиналов балластных сопротивлений в электродной системе с однорядным многоострийным катодом в атмосфере аргона.
2. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Исследования многоострий-ной отрицательной короны проводились в прямоугольной разрядной камере из оргстекла с площадью основания 15 х 14 см2 и высотой 10 см. Электродная конструкция представляет собой однорядный многоострийный катод и плоский анод. В качестве острий использовались стальные иглы диаметром 2 мм, длиной конической части 4 мм и радиусом вершины острия 30 мкм. Отдельно измерялся ток с каждого острия и суммарный ток с коронирующих острий. Исследования проводились в коротких сантиметровых межэлектродных промежутках d ( d < 30 мм). Анод представлял собой стальную пластину площадью 12 х 12 см2. В целях устранения краевых эффектов, связанных с ограничением поперечных размеров короны, размер анода превышает межэлектродное расстояние d в три раза [11]. Для ввода и вывода аргона разрядная камера снабжена двумя штуцерами с внутренним диаметром d = 4 мм, ориентированными перпендикулярно направлению тока разряда. Расстояние между штуцерами и электродной системой составляет 4 см. Расход аргона О измерялся с помощью ротаметра РМ-А-0.16ГУЗ до 5 х 10-5 кг/с.
Максимальное напряжение регулируемого высоковольтного источника ВС-20-10 составляло
20 кВ. Для стабилизации разряда использовалась методика, предложенная в работах [5, 7], согласно которой каждое острие нагружалось регулируемым большим сопротивлением Яб > 1 МОм. Балластные сопротивления Яб во внешней цепи изменялись до 85 МОм. Устойчивость разряда относительно перехода отрицательной короны в искровой пробой разрядного промежутка достигается также слабой прокачкой газа через разрядный промежуток. Скорость прокачки газа V на входе в разрядную камеру варьировалось в пределах от 0.45—2.24 м/с. Величина V рассчитывалась по величине массового расхода аргона О через поперечное сечение штуцера S, V = 0/(рБ). Здесь р — плотность газа. Исследования формы, амплитуды и длительности импульсной компоненты тока и напряжения короны проводились с использованием малоиндуктивных токовых шунтов и двухлучевого осциллографа.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Многоострийная отрицательная корона в атмосфере аргона зажигается в импульсно-перио-дическом режиме и характеризуется регулярными импульсами тока с длительностью лежащей в миллисекундном диапазоне [11, 13], аналогичные импульсам Тричела в воздухе [19]. В данном режиме горения отрицательной короны светятся лишь кончики острий, при этом свечение межэлектродного промежутка слабое.
Отметим характерную особенность зажигания отрицательной короны на примере электродной системы с тремя коронирующими остриями в потоке аргона. При увеличении напряжения и до критического напряжения — напряжения зажига-
ния и* — зажигаются одновременно крайние острия 2, 4, при дальнейшем увеличении напряжения и зажигается центральное острие 3. Такая же картина наблюдается при зажигании отрицательной короны в электродной системе с пятью коронирующими остриями, вначале зажигаются крайние острия, а затем центральное острие 3. Суммарный ток коронирующих острий при зажигании разряда скачком устанавливается на уровне 3—5 мкА, при этом острия имеют равные значения тока. При плавном уменьшении приложенного напряжения и после зажигания разряда, многоострийная отрицательная корона гаснет при токах меньших тока зажигания, что характерно для отрицательной короны в электроположительных газах. Как известно, для отрицательной короны в электроположительных газах при атмосферном давлении в определенной области параметров характерен гистерезис [11, 13]. Данный эффект связан с тем, что отрицательная корона в электроположительных газах после зажигания оказывается под перенапряжением, и ее ток скачком устанавливается на достаточно высоком уровне I*, определяемом вольтамперной характеристикой и балластным сопротивлением Вд.
При зажигании отрицательной короны в электродной системе с тремя коронирующими остриями амплитуда импульсов тока при зажигании 2 и 4 острий равна 1т1 « 12 мкА. Когда зажигаются все три острия, на осциллограмме можно выделить периодичные импульсы тока с амплитудами 1т2 ~ 18 мкА и 1т3 « 24 мкА, практически в два раза превышающие импульсы тока при зажигании 2 и 4 острий как по амплитуде импульсов, так и по периоду формирования импульсов (рис. 2). С увеличением приложенного напряжения и частота следования импульсов тока с амплитудой 1т1 увеличивается значительно быстрее, чем импульсы тока с амплитудами 1т2 и 1т3. Интересно отметить, что с увеличением напряжения амплитуды 1т1 и 1т2 импульсов тока практически выравниваются на уровне 15 мкА, а амплитуда 1т3 импульсов тока увеличивается до 28 мкА и при этом существенно уменьшается частота следования указанных импульсов. Как показывает эксперимент, при увеличении расхода газа О > 4 х 10-5 кг/с наблюдаются выпуклости на заднем фронте импульсов тока многоострийной отрицательной короны, аналогичные тем, что наблюдаются в отрицательной короне тока в конфигурации электродов острие — плоскость [13, 20]. Увеличение длительности заднего фронта импульса тока с увеличением расхода газа О приводит к уменьшению частоты/следования импульсов тока отрицательной короны.
На рис. 3 представлена зависимость тока центрального острия от приложенного напряжения и при увеличении количества острий с каждой
Рис. 2. Импульсы тока отрицательной короны в электродной системе с тремя коронирующими остриями.
Межэлектродное расстояние й = 2 см, расход аргона
О = 3 х 10-5 кг/с, [ г ] = 50 мкс/дел, [I] = 10 мкА/дел.
стороны. Увеличение количества острий уменьшает ток, приходящийся на центральное острие. Как следует из зависимости (рис. 4) приведенного тока Тл (ток разряда пересчитан на одно острие) перехода и
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.