CC BY
19Физика
УДК 537.523.4
Б01: 10.21779/2542-0321- 2016-31-3-6-10 Л.М. Василяк, С.П. Ветчинин, В.Я. Печеркин
Пробой разрядного промежутка с левитирующими микрочастицами в коронном
разряде
Объединенный институт высоких температур РАН; Россия, 125412, г. Москва, ул. Ижорская, 13; vpecherkin@yandex.ru
Исследована динамика пылевых микрочастиц в замкнутом объеме в коронном разряде. Установлено, что в системе электродов острие-плоскость микрочастицы начинают отрываться от поверхности плоского электрода только при определенном токе коронного разряда. При отрыве от нижнего электрода микрочастицы приобретают заряд и левитируют в поле коронного разряда. Обнаружена кластеризация частиц на поверхности плоского электрода при их отрыве от поверхности электрода с длиной оторвавшихся кластеров 1-3 мм. В коронном разряде с заряженными левитирующими кластерами пробой разрядного промежутка происходит за счет усиления электрического поля на концах длинного кластера при напряжении коронного разряда меньшем, чем без микрочастиц.
Ключевые слова: искровой пробой, микрочастицы, коронный разряд.
Взаимодействие электрического поля с заряженными частицами является основой для многих процессов и плазменных технологий [1-5]. Эффективность различных процессов, таких, как очистка пылегазовых смесей, фильтрация, электрическая сепарация материалов, окраска, нанесение покрытий, зависит от величины заряда частиц. Заряженные частицы микронных размеров определяют многие процессы в земной атмосфере и ионосфере, а также в космосе и на поверхности Луны [6, 7]. В последние десятилетия взаимодействия заряженных частиц активно изучаются в неравновесной плазме в связи с возможностью получения кулоновского кристалла [6]. Получение макрочастиц с аномально высокими зарядами позволит разработать новые технологии, для которых требуются частицы с большими энергиями. Дополнительная зарядка частиц может представлять определенный интерес для очистки реакторов УТС, где пылевые частицы скапливаются в рабочем объеме реактора, что крайне нежелательно.
Максимальный заряд частиц зависит от их размера, проводимости, диэлектрической проницаемости, от способа зарядки, а также от свойств окружающей среды. В настоящее время хорошо изучены процессы зарядки пылевых частиц в плазме потоками электронов и ионов. В неравновесной низкотемпературной плазме заряд частиц зависит от температуры электронов и для частиц микронного размера не превышает значений 10-104 зарядов электрона e [8] при температуре электронов 1-3 эВ. Сверхвысокий заряд частиц ~107 e может быть получен в плазме низкого давления только под действием электронного пучка с высокой энергией или в электронно-циклотронном разряде, когда в плазме присутствует горячая группа электронов с энергией ~10 кэВ [9-10]. При атмосферном давлении для зарядки частиц обычно используют коронный разряд. Заряд в этом случае определяется напряженностью электрического поля коронного разряда и размерами частиц, поэтому получить большой заряд частицы могут только вблизи коронирующего электрода.
Целью данной работы являлось исследование влияния заряженных микрочастиц, левитирующих в коронном разряде, на пробой разрядного промежутка. Для исследований применялась разрядная ячейка с боковыми стенками из кварцевой трубки (рис. 1). Диаметр кварцевой трубки составлял 29 мм.
7
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования плазменно-пылевых структур при атмосферном давлении: 1. Кварцевая разрядная трубка; 2. Верхний электрод; 3. Нижний плоский электрод; 4. Лазер; 5. Регистрирующая видеокамера; 6. Компьютер; 7. Балластный резистор; 8. Токовый шунт; 9. Высоковольтный вольтметр; 10. ВВИ - высоковольтный источник напряжения; 11. in - вход для подачи инертных газов; 12. out - выход инертных газов
Источник высокого напряжения позволял плавно регулировать выходное напряжение постоянного тока в пределах от 0 до 40 кВ. Величина напряжения регистрировалась высоковольтным статическим вольтметром. Величина тока регистрировалась микроамперметром постоянного тока. Нижний электрод был выполнен в виде цилиндра из латуни, верхний электрод - из молибденовой проволоки диметром 0,8 мм с радиусом закругленного острия 50 мкм. Расстояние между электродами составляло 28 мм. Конструкция разрядной ячейки позволяла проводить исследования динамики пылевых частиц в коронном разряде в различных газах. Наблюдение осуществлялось скоростной видеокамерой Fast Hispec. Для подсветки использовался лазерный нож с толщиной луча 150 мкм на длине волны 650 нм. Для исследования использовались латунные частицы с размерами 50-150 мкм. Перед началом эксперимента частицы насыпались равномерным слоем на нижний электрод. Толщина слоя составляла примерно 4 мм. Эксперименты проводились в воздухе при атмосферном давлении. На острие подавалось напряжение положительной полярности. При незначительном токе коронного разряда заряд металлических частиц на плоском электроде на порядок меньше, чем рассчитанный по формуле Потенье [1], и частицы в этом случае не могут оторваться от плоского электрода. При появлении тока коронного разряда определенной величины частицы начинали отрываться от плоского электрода вблизи стенок разрядной трубки и подниматься вверх вдоль стенок кварцевой трубки. Вблизи острия частицы начинали двигаться по направлению к нему и, не касаясь острия, начинали двигаться вниз, оседая на плоский электрод. Это можно объяснить тем, что в зоне положительного объемного заряда вблизи острия отрицательно заряженные микрочастицы перезаряжались потоком положительных ионов и под действием силы тяжести начинали двигаться вниз.
При поддержании тока коронного разряда в пределах 1 мкА такое круговое движение частиц наблюдалось длительное время. При увеличении разрядного тока наблюдалась кластеризация отрывающихся от нижнего электрода частиц микрочастиц (рис. 2). Длина оторвавшихся кластеров, состоящих из множества микрочастиц, могла достигать 1-3 мм. Кластер, не теряя формы и сохраняя ориентацию, двигался по направлению к положительно заряженному острию.
Рис. 2. Фото кластера из микрочастиц, сфор-мировшегося на плоском электроде
Рис. 3. Фото кластера из микрочастиц, оторвавшегося от нижнего электрода и левитирующего в коронном разряде
Рис. 4. Фото пробоя разрядного промежутка Рис. 5. Фото распада кластера после пробоя через кластер левитирующих микрочастиц разрядного промежутка
При движении такого кластера от катода к острийному аноду наблюдалось его рассыпание после прохождения примерно 2/3 длины разрядного промежутка. В отдельных случаях происходил пробой промежутка через кластер (рис. 4). После пробоя кластера всегда наблюдалось его рассыпание на отдельные микрочастицы (рис. 5). В коронном разряде с заряженными левитирующими кластерами пробой разрядного про-
межутка происходит за счет усиления электрического поля на концах длинного кластера. Распределение электрического поля в коронном разряде существенно отличается от распределения электростатического поля в результате влияния объемного заряда. В результате этого средняя напряженность электрического поля, при которой происходит пробой в коронном разряде, оказывается постоянной. Наличие заряженного протяженного кластера приводит к дополнительному усилению поля на концах кластера и переходу коронного разряда в искровой.
В коронном разряде с левитирующими кластерами из заряженных микрочастиц пробой разрядного промежутка происходит при токах и напряжениях коронного разряда существенно меньших (~25-30 %), чем без кластеров в разрядном промежутке.
Выводы
В ходе выполнения работ установлено следующее:
Движение пылевых частиц в замкнутом объеме происходит только при определенном токе коронного разряда. Без коронного разряда движения микрочастиц, находящихся на потенциальном нижнем плоском электроде, не наблюдается.
Ограничение объема коронного разряда диэлектрическими стенками (разрядной трубкой) улучшает условия подъема и левитации частиц и предотвращает уход частиц из зоны разряда.
При увеличении разрядного тока наблюдаются кластеризация микрочастиц на поверхности плоского электрода, их отрыв и левитация в разрядном промежутке.
В коронном разряде с левитирующими кластерами из заряженных микрочастиц пробой разрядного промежутка происходит при токах и напряжениях коронного разряда существенно меньших (~25-30 %), чем без кластеров.
Литература
1. Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабекян Г.З. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. - М.: Энергия, 1974. - 4S0 с.
2. Бортник И.М., Верещагин И.П., Вершинин Ю.Н. и др. Электрофизические основы техники высоких напряжений. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 543 с.
3. Петров А., Амиров Р.Х., Коростылев Е.В., Самойлов И.С. Исследование эрозии катода в отрицательном коронном разряде // Труды МФТИ. - 2013. - Т. 5, № 1. - С. 72-79.
4. Massines F., Gherardi N., Fornelli A., Martin S. Atmospheric pressure plasma deposition of thin films by Townsend dielectric barrier discharge // Surface & Coatings Technol. -2005. - V. 200. - P. 1855-18б1.
5. Mokhtari Z., Holé S., andLewiner J. Electrostatic smoke sensor // 7th Conference of the French Society of Electrostatics. - 2010. - P. 212-215.
6. Fortov V.E., Morfill G.E. Complex and Dusty Plasmas. From Laboratory to Space. -CRC Press. Taylor&Francis Group. Boca Raton, 2009. - P. 418.
7. Merlino R.L., Goree J.A. Dusty Plasmas in the laboratory, Industry, and Space // Physics Today Online. - 2004. - V. 57, № 7. - P. 32. http: // dx.doi.org/10.1063/1.1784300.
S. Piel A., Melzer A. // Plasma Phys. Control Fusion. - 2002. - V. 44. - P. 1.
9. Филиппов А.В., Васильев М.Н., Гавриков А.В. и др. // Письма в ЖЭТФ. - 2007. -Т. 8б, вып. 1. - С. 1б-21.
10. Fortov V.E., Gavrikov A.V., Petrov O.F., Sidorov V.S., Vasiliev M.N. and Vorona N.A. // EPL. - 2011. - V. 94 - P. 55001.
Поступила в редакцию 22 сентября 2016 г.
UDC 537.523.4
DOI: 10.21779/2542-0321- 2016-31-3-6-10
The breakdown of the discharge gap with levitating microparticles in a corona discharge
L.M. Vasilyak, S.P. Vetchinin, V.Ya. Pecherkin
Joint Institute for High Temperatures RAS; Moscow, Russia, 125412; Izhorskaya 13, Bd. 2; vpecherkin@yandex.ru
The dynamics of dust particles in a closed space in the corona discharge is investigated. It is resumed that in the edge-plane system micro-particles tend to break away from the plane electrode only at a certain current corona discharge. When breaking away from the base electrode micro-particles get positively charged and levitate in the field of corona discharge. As a result the authors single out clustering of the particles on the surface of plane electrode when they break away from the electrode surface with the clumps' length ranging from 1 to 3 mm. In the corona discharge with levitating charged clumps the breakdown of the discharge gap occurs by means of electric field amplification at the ends of long clump with the voltage corona discharge smaller than without microparticles.
Keywords: spark breakdown, microparticles, corona discharge.
Received 22 September, 2016
