Совершенствование электродной системы барьерной короны постоянного тока Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 53752

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДНОЙ СИСТЕМЫ БАРЬЕРНОЙ КОРОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

© 2013 О.А. Журавлев1, А.В. Ивченко1, И.А. Бакулин2, Х.Д. Ламажапов3

1Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет) 2 Самарский филиал Физического института имени П.Н. Лебедева РАН 3 Самарский государственный университет путей сообщения

Поступила в редакцию 19.06.2013

Предложена электродная система для физического моделирования процессов возбуждения в воздухе атмосферного давления однородных форм объемного и поверхностного разрядов барьерной короны постоянного тока. Выявлены источники повышения устойчивости разрядов, связанные с предыони-зацией воздушной среды в приповерхностном слое подвижного электрода за счет отлипания электронов и освобождения поляризационных зарядов диэлектрика

Ключевые слова: газовый разряд, электродная система, диэлектрический слой, низкотемпературная плазма.

ВВЕДЕНИЕ

Эффективным решением проблемы увеличения мощности коронного разряда постоянного тока в воздухе атмосферного давления явилось применение электродной системы с движущимся диэлектрическим слоем, предназначенным для адсорбции пространственного заряда и переноса его на заземленный электрод (рис. 1) [1]. Введение подвижного электрода 1, 2 (ПЭ), связывающего коронирующий 3 и заземленный 4 электроды, способствовало усилению ионизационных процессов и получению новых форм барьерно-стабилизированных газовых разрядов [2, 3] в барьерной короне постоянного тока (БКТП) [4].

Схематично можно представить, что в рассматриваемой электродной системе отрицательная корона, сформированная на электроде 3, преобразуется с помощью переносимого на ПЭ заряда в однородный поверхностный разряд (ОПР), который возбуждается в промежутке h с заземленным электродом 4 и далее при повышении напряжения U на электроде 3 распространяется по поверхности диэлектрической пленки 2 вверх против направления движения ПЭ. При увеличении уровня перенапряжения на коротро-

Журавлев Олег Анатольевич, доктор технических наук, профессор. E-mail: Guravlevssau@yandex.ru Ивченко Алексей Викторович, кандидат технических наук, доцент. E-mail: fgrt@yandex.ru Бакулин Игорь Александрович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник. E-mail: bi205@fian.smr.ru

Ламажапов Хубита Доржиевич, кандидат физико-математических наук, доцент. E-mail: hubitalamazhapov@gmail.com

не [ =U/Uз> 1,5 ток разряда 1р в промежутке между электродами 3,4 начинает превышать величину составляющей I, заданной предельно допустимой плотностью « переносимых диэлектрической пленкой зарядов

1Р > I = о¥!, (1)

где V - скорость движения поверхности ПЭ, I-ширина коронирующего электрода. При дальнейшем увеличении перенапряжения [ полоса ОПР может перекрывать всю ширину рабочего промежутка квазиоднородным полем свечения (рис. 2).

-1-0-

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1, 2 - подвижный электрод (1 - токопроводящий цилиндр - ротор; 2 - диэлектрическая пленка); 3 - коронирующий электрод; 4 - заземленный электрод; 5 - заземление ротора; 6 - киловольтметр; 7 - миллиамперметр; Нк и Н - рабочие зазоры электродов; Н ^ 0,1 Нк; Я=50 мм; т > 2,5X 103 об/мин

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 15, №6, 2013

V

Рис. 2. Свечение завершенной фазы однородного поверхностного разряда на подвижном электроде в промежутке шириной 28 мм между коронирующим 1 и заземленным 2 электродами при напряжении на коротроне ¿7=—19 кВ, скорости V = 5 м/с и толщине диэлектрической подложки ¿=815 мкм

Такие качества БКПТ, как стабильность возбуждения поверхностно распределенных областей низкотемпературной плазмы в воздухе атмосферного давления, возможность широкого масштабирования параметров электродной системы позволяют говорить о перспективности применения ОПР в бескамерных технологиях газоразрядной обработки материалов и сред, а также в электрофизических устройствах типа плазменных электродов, радиоотражающих зеркал, функциональных элементов в плазменной аэродинамике [5]. В то же время можно указать на отсутствие единства представлений о физике процессов развития БКПТ, которое является следствием недостаточной наработки экспериментальных данных по электрическим и физическим характеристикам разряда.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Физическое моделирование режимов горения БКПТ требует учета большого числа параметров, определяющих условия протекания основных стадий разряда, включая характеристики диэлектрика и подвижного электрода в целом, уровни рабочих зазоров и геометрию острийных электродов. Специфика выбора электродной системы в БКПТ рассматриваемой модели определяется необходимостью одновременного возбуждения газоразрядных процессов в рабочих зазорах Нк и Н (см. рис. 1) соответственно коротрона и заземленного электрода с поверхностью ПЭ. Следует учитывать, что определяющую роль в формировании ОПР играет стадия развития несамостоятельного газового разряда (типа положительной короны), возбуждаемого электрическим полем, индуцированным зарядами на поверхности диэлектрика ПЭ в промежутке Н относительно заземленного электрода. В связи с малой величиной зазора (Н ^ 0,5 мм) напряженность электрического поля Е можно оценить как Е= ф /Н, где ф -потенциал поля на поверхности ПЭ, определяемый в приближении неподвижной диэлектрической подложки известным выражением:

оё

Ф =

е • е.

(2)

Здесь й - толщина диэлектрического слоя на ПЭ, £ - относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика, £ о = 8,85 X10-12 Ф/м.

Учет движения поверхности ПЭ требует расширения представления о происходящих в рассматриваемой электродной системе газоразрядных процессах. Анализ ранее полученных результатов показывает, что уменьшение й пленки при заданных скорости V движения ПЭ и напряжения 7 на коротроне приводит к увеличению электрической емкости подвижного электрода и характеризуется повышением интенсивности ионизационных процессов в промежутках Нк и Н. Однако происходящее при этом увеличение I'р разряда не сопровождается заметным продвижением внешней границы области свечения ОПР. Более того, увеличение перенапряжения 1,6 для пленок толщиной й< 200 мкм, выполненных из такого материала, как лавсан и полиимид ( £ > 3), приводит к периодической генерации в межэлектродном промежутке каналов искрового пробоя, что говорит о снижении устойчивости ОПР.

С другой стороны, повышение толщины й подложки, как показано на рис. 2, обеспечивает увеличение устойчивости ОПР и достижение при 3 завершенной фазы без контрагирования разряда. Основным недостатком ОПР на толстых диэлектрических пленках является малая величина линейной плотности тока, не превышающая 0,3 мА/см.

В работе ставится задача исследования механизмов повышения устойчивости низкотемпературной плазмы поверхностного разряда, возбуждаемого на тонких высокоомных диэлектрических пленках (й< 200 мкм) при умеренных перенапряжениях ( 2) за счет введения физически обоснованных изменений в конфигурацию применяющихся электродов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Более детальное исследование картины процессов в электродных системах, подобных рис. 2, показывает, что коронный разряд в зазоре с ПЭ

уже при Р> 2 имеет крайне неоднородную структуру, реализуясь в виде протяженных стример-ных каналов, распространяющихся против у движения ПЭ. Однако, как видно из рис. 2, неоднородности в структуре разряда под коротро-ном не отражаются на распределении поля свечения ОПР в промежутке электродов 1,2. Здесь следует отметить проявление характерного для БКПТ с отрицательным коротроном такого физического эффекта, как повышение проводимости газа в приповерхностном слое ПЭ, способствующего ускорению процесса выравнивания распределения плотности поверхностных зарядов. Это связано, по-видимому, с перекрытием ионизационных областей стримерных каналов вблизи коронирующего электрода, в том числе за счет взаимной фотоионизации. Как следствие, неравномерная картина свечения токовых каналов многостримерной короны переходит в однородное поле свечения ОПР. Высокая степень однородности ОПР появляется и в зоне заземленного электрода 2. Основной механизм такого явления может быть связан с повышением уровня ионизации газа в поле поверхностных зарядов на ПЭ, обусловленный, например, отлипанием электронов от отрицательных ионов.

Важным этапом в процессе получения завершенного ОПР является финальная часть, связанная с замыканием внешней кромки поверхностного разряда на высоковольтный электрод. Повышение устойчивости разряда на данном этапе требует введения дополнительных механизмов обеспечения однородности ОПР. В частности, для исследования процессов усиления тока разряда и уверенного возбуждения ОПР при ограниченном перенапряжении ¡3 <2 необходимо применение специализированной электродной системы, обеспечивающей возможность оптимизационного варьирования размеров электродных зазоров, межэлектродного промежутка на поверхности ПЭ, толщины диэлектрической подложки и т.д.

В качестве примера на рис. 3 представлена разработанная электродная система БКПТ с составным высоковольтным электродом (ВВЭ) 1,2 и дополнительным заземленным электродом 3. Присоединение к острийному коротрону 1 медного насадка 2 шириной 5 мм с профилированным рабочим торцем позволило пространственно разделить функции ВВЭ, который должен иметь острийную рабочую кромку для возбуждения объемного разряда 4 в зазоре Нк и сглаженный торец для безыскрового замыкания полосы ОПР 5, развивающейся от дополнительного электрода 3. Электрод 3 выполнен с возможностью перемещения в пространстве над ПЭ и регулирования угла наклона к поверхности ПЭ.

Перенос высокого напряжения с помощью насадка 2 в сторону дополнительного заземленного электрода 3 с образованием рабочего промежутка шириной 30 мм между электродами 2,3 позволяет расширить диапазон изменения тока ОПР. При этом на рис. 3 показано, что замыкание полосы свечения ОПР на профилированную кромку насадка 2 происходит непосредственно в зазоре с ПЭ. Дальнейшее увеличение и на ВВЭ приводит к повышению интенсивности свечения полосы ОПР, что характеризует возрастание эффективности ионизационных процессов.

Устойчивость процессов возбуждения однородных форм объемного 4 и поверхностного 5 разрядов в представленной на рис. 3 электродной системе говорит о необходимости рассмотрения дополнительного механизма повышения уровня предыонизации газа в приповерхностном слое ПЭ. Такой механизм повышения концентрации зарядов в газе связывается с зарегистрированным на рис. 3 сектором с устойчивой поляризацией диэлектрической подложки ПЭ в промежутке от коротрона 1 до рабочего торца насадка 2. Нарушение устойчивости поляризованного состояния связывается в [6] с воздействием таких факторов, как нагрев диэлектрика, радиационное облучение, резкое изменение внешнего электрического поля. Все указанные факторы сопутствуют рассматриваемым в работе формам газовых разрядов и должны стать предметом дальнейших исследований.

1

4 7

Рис. 3. Возбуждение разрядов в специализированной системе электродов при напряжении и=-13 кВ, ширине промежутка 30 мм, скорости поверхности подвижного электрода У=16,5 м/с и толщине (1=200 мкм: 1, 2 - составной высоковольтный электрод (1 - лезвийный коротрон, 2 - профильный насадок); 3 - дополнительный заземленный электрод; 4 - объемный разряд; 5 - однородный поверхностный разряд

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 15, №°6, 2013

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложена специализированная электродная система, обеспечивающая стабильное возбуждение однородных форм газового разряда в воздушных промежутках с подвижным электродом.

2. Введение насадка позволяет получать однородное поле свечения завершенного поверхностного разряда при меньшем напряжении на ко-ротроне и умеренных скоростях V перемещения ПЭ. Насадок обеспечивает сохранение рабочей кромки коротрона от искрового пробоя. При этом достигается увеличение линейной плотности тока до 1 мА/см и более.

3 Анализ рабочих характеристик однородных форм объемного и поверхностного разрядов указывает на необходимость исследования дополнительных механизмов предыонизации, связанных с процессами инжекции электронов с рабочей поверхности ножевых электродов, динамикой их переноса в ловушках диэлектрического слоя, а также выхода из них.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 12-02-00992-а.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Журавлев О.А. Федосов А.И. Некоторые особенности разряда в газовом промежутке с диэлектриком на подвижном электроде // Тез. докл. VI конференции по физике газового разряда. Казань: КАИ, 1992.

2. Патент 2030046 МКИ HOI S3/0977. Устройство возбуждения объемного разряда в плотных газах./ О.А. Журавлев. №4842699/25. Опубл. 21.02.95. Бюл. №6.

3. Патент 2106049 МКИ Н01 S3/097. Устройство возбуждения однородного поверхностного разряда в плотных газах / О.А.Журавлев, А.О. Ситкин, А.И. Федосов (РФ). №95101325/25. Опубл. 27.02.98. Бюл. №6.

4. Барьерная корона постоянного тока: процессы формирования и примеры применения / О.АЖуравлев, А.В. Ивченко, И.А Бакулин и др. [под редакцией В.П. Шорина/ Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т, 2010.

5. Ивченко А.В., Журавлев О.А., Шахов В.Г. Газоразрядная генерация пристеночных течений / Вестник СГАУ. 2012. №5.

6. Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. М.: Радио и связь, 1989.

THE ELECTRODE SYSTEM IMPROVEMENT FOR BARRIER CORONA AT DIRECT CURRENT

© 2013 O.A. Zhuravliov1, A.V. Ivchenko1, I.A. Bakulin2, H.D. Lamazhapov3

'Samara State Aerospace University named after Academician S.P. Korolyov (National Research University) 2Samara Branch of P.N. Lebedev Physical Institute of RAS 3Samara State Railways University

The electrode system to the physical modeling of excitation processes in air at atmospheric pressure of uniform bulk and surface barrier corona discharges at direct current has been offered. The discharge stability sources increase are identified. It is associated with air pre-ionization in near-wall layer at movable electrode due to electron detachment and emission of accumulate charges from dielectric. Key words: gas discharge, electrode system, dielectric layer, low-temperature plasma.

Oleg Zhuravliov, Doctor of Technics, Professor. E-mail: Guravlevssau@yandex.ru

Alexey Ivchenko, Candidate of Technics, Associate Professor. E-mail: fgrt@yandex.ru

Igor Bakulin, Candidate of Physics and Mathematics, Chief Research Fellow. E-mail: bi205@fian.smr.ru Khubita Lamazhapov, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor. E-mail: hubitalamazhapov@gmail.com