CC BY
65
УДК 537.525
Р. Ш. Садриев, Ал. Ф. Гайсин, Аз. Ф. Гайсин, Р. Ш. Басыров, Ф. М. Гайсин
ОСОБЕННОСТИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА МЕЖДУ ТВЕРДЫМ
И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ ЭЛЕКТРОДАМИ
Ключевые слова: плазма, разряд, электролит, импульс, частота.
Представлены результаты экспериментального исследования высокочастотного разряда (ВЧ) между твердым и электролитическим электродами в диапазоне импульса с частотой fu = 13,8-100 МГц при межэлектродном расстоянии 2 < l < 20 мм и атмосферном давлении в воздухе.
Keywords: plasma, discharge, electrolyte, impulse, frequency.
Presented are the results of experimental investigation of HF discharge between solid and electrolyte electrodes in the range of frequencies 13,8-100 MHz, inter-electrode distances 2-20 mm at atmospheric pressure.
Большое количество статей и трудов конференций, опубликованных в течение последних двух десятилетний о неравновесной низкотемпературной плазме электрических разрядов с жидкими электродами, подчеркивает растущий интерес к этому особому разделу физики и химии плазмы [1]. Электрические разряды в жидкостях между металлическими электродами, а также между металлическим и жидким электродами проводят к новым научным проблемам для исследователей плазмы и дают новые технологические возможности. Несколько применений уже разработано, которые близки к широкому практическому распространению, включая плазменный скальпель для хирургии [2], литотрансию (разрушение камней с помощью специальных волн, которые приводят к раздроблению имеющихся в мочевом пузыре камней) [3] и миниатюризованный химический анализатор жидкости [4, 5]. Разряды в жидкостях и вне жидкости создают мощное УФ излучение, ударные волны и интенсивные радикалы (ОН, атомарный кислород, пероксид водорода и т.д.). Это основная причина того, что указанные плазмы широко изучались в последние десятилетия. Однако существенная сложность плазмы электрических разрядов с жидкими электродами означает, что полное понимание их фундаментальной физики и химии остается пока не достигнутым. В настоящее время в основном проведены экспериментальные исследования зажигания разряда, а также характеристики разряда постоянного тока между твердым и жидким электродами [5-7].
Высокочастотные разряды с жидкими электродами используются для дезинфекции воздуха и обеззараживания воды, а также могут быть использованы в других областях промышленности. Несмотря на это исследование ВЧ разрядов с жидкими электродами только начинается. ВЧ (13,56 МГц) и СВЧ в жидкости [1] и высокочастотный емкостной разряд между твердым и жидким электродами [8-11].
Экспериментальные исследования проводились на установке, предназначенной для изучения электрического разряда рис. 1. В качестве электролита использовали очищенную воду. Установка для исследования высокочастотного разряда между твердым и электролитическим электродами состоит из электролитической ванны 1, электролитического
электрода 2, твердого электрода 3, металлической пластины 4 для подвода потенциала в электролит, генератора высокой частоты 5 (1и = 13,8-100 МГц). Между твердым электродом и технической водой горит электрический разряд 6. Для измерения напряжения применяли киловольтметр КВЦ-120, предназначенный для измерения напряжений постоянного и переменного тока до 120 кВ. На дисплее киловольтметра одновременно отображаются уровни действующего, амплитудного и среднего напряжений, что позволяет оценить форму и искажения измеряемого напряжения. Измерение тока проводили с помощью универсального цифрового мульти-метра АВМ-4307.
Рис. 1 - Экспериментальная установка для получения ВЧ электрического разряда между твердым и жидким электродами
На рис. 2 показано горение ВЧ разряда 6 между твердым электродом цилиндрической формы и технической водой 2. Как видно из рис. 2, между твердым электродом и технической водой горят искровые разряды с разветвленной корневой структурой на поверхности технической воды.
На рис. 3 приведена зависимость напряжения ВЧ разряда от межэлектродного расстояния при 1и = 40 МГц. Как видно из рис. 3, если в интервале межэлектродного расстояния
I < 2-14 мм возрастает почти линейно, то в интервале от 14 до 20 мм характер зависимости и = 1(1) становится нелинейным. Это объясняется тем, что стримерный разряд переходит в искровую форму с корневой структурой.
На рис. 4 представлена зависимость напряжения ВЧ разряда от межэлектродного расстояния
при f = 100 МГц. Из сравнения кривых рис. 3 и рис. 4 следует, что с ростом частоты импульсов от 40 до 100 МГц линейный участок роста зависимости уменьшается еще больше и составляет от 2 до 4,5 мм. Сравнение кривых рис. 3 и 4 показывает, что величина и с ростом частоты импульсов от 40 до 100 МГц в исследованном диапазоне межэлектродного расстояния снижается. Установлено существенное влияние частоты импульсов и межэлектродного расстояния на развитие, формы и структуры ВЧ разряда между твердым и электролитическим электродами.
Рис. 2 - Искровой разряд между твердым и жидким электродами
1\
—
2 4 6 8 10 12 14 16 18 1, мм
Рис. 3 - Зависимость величины напряжения разряда от межэлектродного расстояния при /Ц = 40 МГц
2 4 6 8 10 12 14 16 18 1,.чл1
Литература
1. Peter Bruggtman and Cristophe Leys. Нетермические плазмы в жидкостях и контрагирующие с жидкостями (тематический обзор) / P. Bruggtman, Cr. Leys // J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 053001 (28 pp).
2. Stalder K.R., Mcmillen D.F. and Woloszko J. Electrosur-gicalplasmas / K.R. Stalder, D.F. Mcmillen and J.Woloszko // J. Phys. D: Appl. Phys.38 (2005)1728 (38 рр).
3. Sunka P. Pulse electrical discharges in water and their applications / P. Sunka // Phys. Plasmas 8 (2001) 2587 (94 PP).
4. Jo K.W., Kim M.G., Shin S.M. and Lee J.H. Microplasma generation in a sealed microfluidic glass chip using a water electrode / K.W. Jo, M.G. Kim, S.M. Shin and J.H. Lee // Appl. Phys. Lett. 92 (2008) 011503.
5. Mitra B., Levey B. and Gianchandani Y.B. Hybrid arc/glow microdischarges at atmospheric pressure and their use in portable systems for liquid and gas sensing / B. Mitra,
B. Levey and Y.B. Gianchandani // IEEE Trans. Plasma Sci. 36 (2008) 1913 (24 рр).
6. Гайсин Ал.Ф., Сон Э.Е. Паровоздушные разряды между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных давлениях / Ал.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон // Теплофизика высоких температур. -2010. -Т. 48, № 3. - С. 1-4.
7. Гайсин Ал.Ф., Сон Э.Е. Электрический пробой вдоль струйного электролитического катода при пониженных давлениях / Ал.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон // Теплофизика высоких температур. - 2010. -Т. 48, № 5. - С. 785-800.
8. Гайсин Ал.Ф., Абдуллин И.Ш. Особенности высокочастотного емкостного разряда (ВЧЕР) при пониженных давлениях с металлическим электродом, погруженным в электролит / Ал.Ф. Гайсин, И.Ш. Абдуллин // Вестник Каз. технологич. ун-та. - 2013. - № 19. -
C. 301-304.
9. Гайсин Ал.Ф., Абдуллин И.Ш., Галлеев А.Х., Гриша-нова И.А., Мигачева О.С. Высокочастотный емкостной разряд (ВЧЕР) с капельно-струйным электролитом и проточной электролитической ячейкой / Ал.Ф. Гайсин, И.Ш. Абдуллин, А.Х. Галлеев, И.А. Гришанова, О.С. Мигачева // Вестник Каз. технологич. ун-та. - 2013. - № 19. - С. 304-307.
10. Гайсин Ал.Ф. Некоторые особенности развития высокочастотного емкостного разряда (ВЧЕР) между капельно-струйным электролитическим электродом и проточной электролитической ячейкой / Ал.Ф. Гайсин // Теплофизика высоких температур. - 2013. - Т. 51, № 6.
11. Хазиев Р.М. Характеристики паровоздушного разряда переменного и постоянного тока с электролитическими электродами при пониженном и атмосферном давлениях. дис. канд. техн. наук. Казан. гос. техн. ун-т, Казань, 2004. - 120 с.
Рис. 4 - Зависимость от величины напряжения ВЧ разряда от межэлектродного расстояния при /и = 100 МГц
© Р. Ш. Садриев - к.т.н., доцент каф. электротехники и электроники К(П)ФУ, srsh@list.ru; Ал. Ф. Гайсин - к.т.н., доцент каф. технической физики КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ, almaz87@mail.ru; Аз. Ф. Гайсин - к.т.н., доцент каф. технической физики КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ; Р. Ш. Басыров - к.ф.-м.н., доц. той же кафедры, rafikbasyrov@mail.ru; Ф. М. Гайсин - д.ф.-м.н., проф., зав. технической физики КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ, gasimova.techph@kstu-kai.ru.
