CC BY
24УДК 621.382:537.525
А.С. Коновалов, С.Н. Голубев, А.Н. Иванов, Д.А. Шутов, С.А. Смирнов, В.В. Рыбкин
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С ЖИДКИМ ЭЛЕКТРОДОМ
В АТМОСФЕРЕ ВОЗДУХА ПРИ ПОНИЖЕННОМ ДАВЛЕНИИ
(Ивановский государственный химико-технологический университет)
e-mail: shutov@isuct.ru
Получены экспериментальные данные о параметрах тлеющего разряда постоянного тока с жидким катодом - дистиллированной водой в атмосфере воздуха в широком диапазоне давлений 0,1-1 атм. Найдены напряженность электрического поля, плотность рассеиваемой мощности, колебательная и вращательная температура состояний N2(Cini) и NO (A2!*).
Ключевые слова: тлеющий разряд пониженного давления с жидким катодом, плазма воздуха, приведенная напряженность электрического поля, колебательная и вращательная температура молекулярного азота
ВВЕДЕНИЕ
Большой интерес к плазменно-растворным системам связан с открытием новых возможностей их применения: стерилизация, очистка воды от ряда стойких органических соединений [1, 2], эмиссионно-спектральный анализ ряда металлов, поверхностная модификация полимерных материалов и изделий из них [3]. Существует множество способов организации таких разрядов и систем электродов для них [4]. В литературе встречается немало экспериментальных данных по характеристикам плазменно-растворных систем атмосферного давления [5, 6], однако, мало изучен разряд пониженного давления с жидким катодом, что и являлось целью данного исследования.
МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Разряд постоянного тока в 40 мА возбуждался в атмосфере воздуха между острым медным анодом и катодом - дистиллированной водой (стабилизированной действием разряда в течение нескольких десятков минут). Межэлектродное расстояние изменяли от 1 до 10 мм. Давление в камере изменяли в интервале 0,1-1 атм, контролируя его с помощью вакуумметра. По зависимостям напряжения горения разряда от межэлектродного расстояния определяли напряженность поля в плазме и катодное падение потенциала. При обработке результатов учитывали падение напряжения в жидкости, которое измеряли при касании анодом поверхности жидкого катода и пропускании через жидкость тока. Определение геометрических размеров разряда (диаметра катодной области и положительного столба) проводилось по фотоснимкам цифровой камерой с захватом анода в качестве репера.
Стеклянный
Рис. 1. Схема экспериментальной установки Fig. 1. Experimental set-up
Коэффициент вторичной электронной эмиссии был определен на основе экспериментальных данных по выражению, используемому в [7- 9]:
в
U = (2.718 —)ln
, V У
(
1 +
где ис - катодное падение напряжения, А и В -коэффициенты в эмпирическом выражении для первого таунсендовского коэффициента ионизации из [10].
Спектры излучения разряда в интервале длин волн 200 - 850 нм фиксировались спектрометрами AvaSpec-2048-2FT (дифракционная решетка 600 штрихов/мм) и Avaspec-3648 (дифракционная решетка 1200 штрихов/мм). Спектры регистрировались с накоплением сигнала, отсеиванием шумов и усреднением результатов многочисленных отсчетов.
По соотношению интенсивностей полос второй секвенции второй положительной системы
молекулярного азота (0^2, 1^3, 2^4, 3^5, 4^6) определяли эффективную колебательную температуру состояния С3Пи. По распределению интенсивности полосы с неразрешенной вращательной структурой перехода ^(С3Пи,У'=0^-^Б3ПЁ,У"=2) - вращательную температуру определяли по методике подробно описанной в [11]. Эффективную колебательную температуру молекул N0 в состоянии (А2Е) определяли по распределению интенсивности излучения полос третьей секвенции (0^3, 1^4, 2^5) у-системы молекул КО(Л2Е+^Х2П). В связи с тем, что полосы частично наложены друг на друга рассматриваемый участок спектра подвергался процедуре деконво-люции.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В
спектрах излучения регистрировались
S, см2
J, A /см2
0,6 -
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0
0,2
0,4
0,6
0,8P , атМ0
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0
Рис. 2. Зависимость площади катодного пятна и плотности
тока в катодном пятне от давления воздуха Fig. 2. Cathode spot square and the cathode current density as a function of the air pressure
На рис. 3 представлены катодное падение напряжения и напряженность электрического по-
ля. Значения катодного падения с учетом погрешностей определения слабо зависят от давления и неплохо согласуются с данными работы [4].
U , В
г '
1000 800 600 400 200 0
0,2
0,4
E, В/см -, 1000
800 600 400 200 0
1,0
полосы 2 системы азотау -системы молекул Ш(Л21^Х2П), полосы 0Н(А 21^Х2П), а так же линии атомарного кислорода^=777 и 845 нм), линии бальмеровской серии атомарного водорода.
Область разряда представляет собой конусообразный светящийся столб. С понижением давления наблюдается рост площади катодной привязки с одновременным уменьшением яркости свечения горящего разряда. На рис. 2 представлены результаты расчетов площади катодной привязки и плотности тока через нее. С повышением давления величина катодного пятна падает, стремясь к некому минимальному значению ~0,05 см2 и хорошо описывается экспоненциальной зависимостью. Также наблюдается рост плотности тока, что связано с повышением плотности рабочего газа. Ее значения лежат в диапазоне 0,06-0,6 А/см2.
0,6 0,8 P , атм
Рис. 3. Катодные падения потенциала и напряженность электрического поля в разряде при токе 40 мА (сплошные значки - данные работы [4]) Fig. 3. Cathode drop voltage and electric field strength for a discharge current of 40 mA (solid dots are the data of [4])
Нами были рассчитаны эффективные коэффициенты вторичной электронной эмиссии (рис. 4.). При расчете использовались коэффициенты эмпирического выражения для первого таунсен-довского коэффициента ионизации А=15 см-1 •тор-1, В=365 В/см-тор. С ростом давления коэффициент вторичной электронной эмиссии изменяется в пределах одного порядка. Такое поведение можно связать с уменьшением длины свободного пробега. Для случая атмосферного давления коэффициент вторичной электронной эмиссии хорошо согласуется с литературными данными ~10-3-10-4 [8, 12].
10-3 -
10-4
0,0
0,2
0,4
1,0
0,6 0,8 P , атм
Рис. 4. Коэффициенты вторичной электронной эмиссии разряда Fig. 4. Second electron emission coefficients
На рис. 5 представлены температуры при больших и малых временах горения разряда. Как видно, при длительном горении колебательная
Y
температура почти на 2000 К ниже значений, соответствующих малым временам. Экспериментальная установка представляет собой закрытую вакуумную камеру, в которой при горении разряда происходит испарение катода в рабочий объем и увеличение концентрации паров воды в объеме разряда. Об этом свидетельствует появление конденсата на стенках рабочей камеры. Для того, чтобы снизить влияние большого количества паров воды на результаты, мы проводили измерения при малых, порядка 30 - 60 с, временах горения разряда. За это время количество испаренного катода, по нашему мнению, не успевало существенно изменить свойства плазмообразующего газа. Растущий характер изменения температуры вне зависимости от времени горения с ростом давления сохранялся. Соударения с молекулами воды являются не только эффективным каналом тушения колебательно-возбужденных молекул азота, но и сильно влияют на функцию распределения электронов по энергиям, что и приводит к разнице в измеряемой колебательной температуре в насыщенном и ненасыщенном парами Н20 воздухе.
Т/, К
8000 -
6000
4000
2000
0
# i §
* * *
i * 2
0,2
0,4
1,0
тельные температуры ^(С Пи) (рис. 6). Как показано, значения вращательной температуры молекул азота в плазме воздуха не зависят от давления и составляют величину порядка 1500 К.
Т, К
6000
4000
2000
□ о
5 О
□ О
т о
о
6
□ 1 о 2 ■ 3 • 4
0,2
0,4
0,6
0,8 1,0
P, атм
0,6 0,8 P, атм
Рис. 5. Колебательная температура N2(C3nu): 1 -малые времена горения разряда (~30 с), 2 - квазистационарный режим
горения разряда (2-10 мин) Fig. 5. Effective vibrational temperature of N2(C3nu) obtained from irradiation intensity distribution of molecular bands in the second positive system of the N2: 1 - short time of discharge burning (~30 s), 2 - steady-state discharge mode (2-10 min)
В связи с этим следует отметить, что все приведенные в работе данные были получены именно при малых временах горения разряда, и мы полагаем их справедливыми для воздуха, не насыщенного парами воды.
На рис. 6 приведены колебательные температуры молекул NO в сравнении с аналогичной температурой КВМ азота в плазме воздуха. Видно, что в пределах погрешности измерений величины температур не отличаются друг от друга.
Используя полученные значения колебательных температур, были определены враща-
Рис. 6. Колебательные температуры NO(A2Z+) (1), N2(C3nu) (2), вращательная температура N2(C3nu) (3) и (4) -данные работы [4]
Fig. 6. Effective vibrational temperatures of NO(A2Z+) (1), N2(C3nu) (2), rotational temperature of N2(C3nu) (3) and (4)-data of article [4]
Ассоциируя вращательную температуру с газовой, была рассчитана приведенная напряженность электрического поля в разряде. Концентрацию молекул определяли из выражения P = nkT, где P - давление газа, T - температура газа, k -постоянная Больцмана. Соответствующие значения приведены на рис. 7.
E/N, 1С-16 ВсМ 4 °
0
0,2
0,4
0,6
0,8 1,0 P, атм
Рис. 7. Приведенная напряженность электрического поля в положительном столбе Fig. 7. The reduced electric field strength in positive column
При постоянном токе разряда с повышением давления от 0.1 до 1 атм. наблюдается значительное падение приведенной напряженности электрического поля с 42 до 14 Тд. Это приведет к
0
1
3
2
1
значительным изменениям в области высоких энергий функции распределения электронов по энергиям и изменениям констант высокопороговых процессов (диссоциации, ионизации) на порядки величин.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследованы электрофизические свойства разряда постоянного тока с жидким водным катодом в диапазоне давлений воздуха 0,1-1 атм. Отмечено, что с понижением давления увеличивается площадь катодного пятна и уменьшается интенсивность свечения в столбе разряда. Полученные экспериментальные данные по приведенной напряженности электрического поля, плотности катодного тока, катодного падения потенциала, коэффициенту вторичной электронной эмиссии, колебательной и вращательной температуре позволяют сделать вывод о том, что разряд постоянного тока пониженного давления в воздухе с жидким водным катодом является тлеющим разрядом нормального типа. Он является неравновесной системой, где эффективные колебательные температуры молекул N2 и NO значительно выше газовой температуры. Полученные экспериментальные данные необходимы для детального анализа элементарных процессов, протекающих в разряде постоянного тока пониженного давления в воздухе с помощью математической модели.
Работа выполнена при поддрежке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (Госконтракт №14.B37.21.0763) и гранта РФФИ №12-02-31074а
ЛИТЕРАТУРА
1. Бобкова Е.С., Гриневич В.И., Исакина А.А., Рыбкин
В.В. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2011. Т. 54.
Вып. 6. С. 3 - 17;
Bobkova E.S., Grinevich V.I., Isakina A.A., Rybkin V.V.
// Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim.Khim.Technol. 2011. V. 54. N 6. P. 3-17 (in Russian).
2. Бобкова Е.С., Гриневич В.И., Иванцова Н.А., Исакина А.А., Квиткова Е.Ю., Рыбкин В.В. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2011. Т. 54. Вып. 4. С. 110-114; Bobkova E.S., Grinevich V.I., Ivantsova N.A., Isakina A.A., Kvitova E.Yu., Rybkin V.V. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim.Khim.Technol. 2011. V. 54. N 4. P. 110-114 (in Russian)
3. Кутепов А.М., Захаров А.Г., Максимов А.И. Вакуум-но-плазменное и плазменно-растворное модифицирование полимерных материалов. М.: Наука. 2004. 496 с.; Kutepov, A.M., Zakharov, A.G., Maximov, A.I. Vacuum-plasma and plasma-solution modifiyng of polymer materials. M.: Nauka. 2004. 496 p. (in Russian).
4. Bruggeman P., Leys C. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. V. 42. N 5. P. 053001.
5. Titov V.A., Rybkin V.V., Smirnov S.A., Kulentsan A.L., Choi H.-S. // Plasma Chem. Plasma Process. 2006. V. 26. N 6. P. 543.
6. Bruggeman P., Leys C., Liu J., Kong M.G., Degroote J., Vierendeels J. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2008. V. 41. N 21. P. 215201.
7. Maksimov A.I., Strojkova I.K. // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2003. N 1. С. 52-59.
8. Titov V.A., Rybkin V.V., Smirnov S.A., Kulentsan A.L., Ho-Suk Choi // High Temperature Material Processes. 2007. V. 11. N 4. P. 515 - 526.
9. Denaro A.R., Mitchell A., Richardson M.R. // Electro-chem. Acta. 1971. V. 16. N 6. P. 755-763.
10. Райзер Ю.П.. Физика газового разряда. 3-е изд., пере-раб. и доп. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект». 2009. 736 с.;
Raiyzer Yu.P. Gas discharge Physics. Dolgoprudnyiy: Intellekt. 2009. 736 p. (in Russian)
11. Рыбкин В.В., Смирнов С.А., Титов В.А., Аржаков
Д.А. // Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48. № 4. С. 498;
Rybkin V.V., Smirnov S.A., Titov V.A., Arzhakov D.A. //
High Temperature. 2010. V. 48. N 4. P. 476-481.
12. Maximov A.I., Khlustova A.V. // High Temperature Material Processes. 2007. V. 11. N 4. P.527 - 535.
НИИ Термодинамики и кинетики химических процессов, кафедра технологии приборов и материалов электронной техники
