CC BY
58
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
УДК 537.525
И.В. Герасимов, А.К. Сухов, Т.П. Копейкина
ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПОТЕНЦИАЛА НА ПАРАМЕТРЫ РАЗРЯДА УНИПОЛЯРНОГО ПРОБОЯ ГАЗА
При возбуждении разряда униполярного пробоя газа в воздухе при давлении порядка р = 1 Торр, существует узкая область граничной частоты^д шириной порядка 100 Гц, где наблюдается резкое изменение его параметров. Увеличение частоты импульсов в этой области приводило к возрастанию длины области свечения разряда в 6—12 раз, уменьшению разрядного тока в 1.6—1.7 раз и уменьшению энергии, вкладываемой в разряд за один импульс в 1.5—2 раза. При значениях частоты следования импульсов близких к/ поведение разрядного столба оказывалось неустойчивым, что проявлялось в периодическом изменении длины области свечения в течение времени и немонотонном распределении интенсивности интегрального излучения по длине разряда.
Ключевые слова: разряд униполярного пробоя газа, высоковольтные импульсы потенциала, частота следования импульсов, ток, свечение, энергия, неустойчивость разрядного столба.
Разряд униполярного пробоя газа (УПГ) [1-5], как безэлектродный представляет практический интерес для создания «чистой» плазмы, ввиду отсутствия металлических электродов контактирующих с разрядом. В отличие от высокочастотных разрядов УПГ имеет более низкую частоту следования импульсов. Кроме того, данный разряд по своей природе очень чувствителен к внешним параметрам, что позволяет его использовать для контроля технологических плазменных процессов [6]. В окрестности разряда УПГ формируются электрические поля высокой напряженности, поэтому его можно использовать в процессах воздействия таких полей на различные материалы и объекты [7]. С феноменологической точки зрения разряд УПГ представляет интерес в том смысле, что позволяет исследовать разрядные процессы
при заданной полярности прикладываемого импульсного потенциала - положительной или отрицательной, управлять амплитудой и частотой следования импульсов. В результате можно выделить эффекты воздействия этих параметров на разрядные процессы в различных условиях.
Предметом исследования были потенциал на покрытие-электроде (ПЭ) фПЭ, ток разряда 1р УПГ и длина свечения разрядного столба Lр в разряде униполярного пробоя газа при различной частоте следования импульсов высоковольтного потенциала. Разряд возбуждался под действием высоковольтных импульсов одной (положительной или отрицательной) полярности в разрядных трубках большой (до 5 м) длины. Импульсы прикладывались на единственный металлический покрытие-электрод, расположенный поверх стекла трубки.
пэ
:
1 / \ ;
Фпй7 ‘--V- ""V : !
i
\ \ \ i ;
V i 7 \ :
i
—! i —,—
:
|
Ф ■' 7 ^
J \ 1 V2 Д ¡77v>j : . . . .
\|
7 \ !\
1 i \ : ——
| | ^ ^ ““1
а) б)
Рис. 2. Сигналы импульсного потенциала фпэ и тока: а) с разрядом i1 и б) без разряда i2 при/и = 200 Гц и фпэ = 15 кВ. Развертка 2 мкс/дел. Чувствительность: потенциала - 2 кВ/дел, тока - 42мА/дел
Измерения параметров разряда УПГ проводились в воздухе при давлениир = 0.5 Торр. Разрядная трубка имела длину l = 2.8 м, внутренний радиус rm = 9.5 мм. На конце трубки был расположен покрытие-электрод (рис. 1) с длиной 1ПЭ = 2 см из мелкой металлической сетки с ячейкой 1х1 мм. На покрытие-электрод с генератора подавали высоковольтные импульсы потенциала положительной полярности амплитудой фпэ = 10 кВ и 15 кВ. Генератор позволял изменять частоту следования импульсов f от 10 до 2000 Гц с шагом 10 Гц. Длительность импульсов выбиралась так, чтобы форма временной зависимости потенциала была близка к треугольной без потери амплитуды (рис. 2). Значение полуширины импульса при этом составило t = 3.5 мкс.
Схема измерений электрических параметров разряда УПГ представлена на рисунке 1. Потенциал фпэ, поступающий на покрытие-электрод с генератора Г измерялся высокоомным делителем R/r, где R = 22 МОм, r = 22 кОм, коэффициент деления 1000:1 (сигнал А). Для регистрации тока разряда в заземляющую цепь генератора установлено шунтирующее сопротивление r = 48 Ом, падение напряжения на котором (сигнал В) пропорционально току, протекающему в цепи.
Сигналы А и В подаются на входы двухлучевого компьютерного осциллографа DSO 2100, сохраняются в цифровом виде на компьютере и используются для дальнейшей обработки.
Сигналы тока шунта и потенциала на покрытие-электроде регистрировались при наличии и отсутствии разряда (рис. 2) для учета тока через паразитные емкости установки. Для выделения тока разряда i(t), из сигнала тока шунта при наличии разряда вычитался паразитный емкостный ток, протекающий при его отсутствии:
^(0 = i1(t) - i2(t), здесь i1(t) - ток шунта при наличии разряда, i2(t) -ток шунта без разряда через паразитные емкости в течение времени t следования импульса потенциала.
В работе были получены временные зависимости потенциала ФПЭ(Ф), приложенного к покрытие-электроду, тока разряда i(t), вкладываемой в разряд мгновенной мощности Р(ф) = Фп() • 1р(Ф) и сопротивления разряда Rр(t) = Фпэ(0 / i (t).
Сопротивление разряда Rр(t) в течение импульса потенциала менялось сложным образом, поэтому в качестве характерного значения выбирали минимальное значение сопротивления R
А А тт
в течение импульса, когда потенциал на покрытие-электроде Фп() и разрядный ток 1р(ф) были достаточно велики.
Энергия Еи, вкладываемая в разряд за один импульс, определялась интегрированием мгновенной мощности Р(ф) по времени ф. Расчет энергии Е проводился численным интегрированием цифровых данных, полученных с компьютерного осциллографа DSO 2100 из временных зависимостей потенциала на покрытие-электроде Фп() и тока разряда ip(t) по формуле:
Еи =|Р(0Л = \фпэ (0*'р (0Л .
Т т
Измерения длины Lр и радиуса гр объема разрядного столба по его свечению позволили рассчитать удельную проводимость разряда:
а = 1 / р = L / (ж'г 2• R), р ' р р ' р р и объемную плотность энергии, вкладываемой в разряд:
^ = Е / V = Е / (жт 2• L),
р и р и ' р р 7
здесь рр - удельное сопротивление разряда, V - объем разрядного столба.
а)
б)
Рис. 3. Свечение разряда УПГ при разной частоте следования импульсов потенциала:
а)/и = 400 Гц и б)/и = 600 Гц, фпэ = 15 кВ
Исследования показали, что частота следования импульсов потенциала/ существенно влияет на параметры разряда УПГ. При увеличении частоты следования импульсов / наблюдается скачкообразное возрастание длины разрядного столба Lр в 6-12 раз (рис. 3) и сильное уменьшение тока разряда ip в 1.6-1.7 раза (рис. 4) при практически неизменной амплитуде импульсного по-
тенциала фпэ. Причем такое изменение параметров происходит при некотором пороговом значении частоты следования импульсов/и0. Диапазон изменения частоты, где параметры разряда УПГ меняются между крайними значениями достаточно узкий - шириной около 100 Гц, что говорит о пороговом характере явления. С ростом амплитуды импульсного потенциала фпэ порого-
б)
Рис. 4. Зависимости: а) длины Ьр и вкладываемой в разряд энергии за один импульс Еи, б) максимального разрядного тока i и минимального сопротивления R
' А А max А min
от частоты следования импульсов f при разной амплитуде импульсов потенциала
Таблица1
Влияние частоты следования импульсов потенциалаf на параметры разряда УПГ
при различной их амплитуде
Фпэ, кВ fu, Гц Lр,м imax, мА Е u мДж Еи/V, Дж/м3 P 1 max Вт Rmin, кОм мСм/м
10 200 0,18 74 1,7 33 647 81 7,8
1100 2,40 46 0,9 1,4 330 130 65
15 200 0,42 150 4,9 41 1845 60 25
1100 2,74 88 3,0 3,8 1100 97 99
вое значение частоты следования импульсов смещалось в область более низких частот: при Фпэ = 10 кВ пороговое значение частоты ко = 650 Гц, а при фпэ = 15 кВ -= 500 Гц.
Амплитуда импульсов потенциала фпэ при изменении частоты их следования / менялась незначительно (отклонение от среднего 2%), поэтому уменьшение тока разряда ip, соответство-
вало уменьшению вкладываемой за один импульс в разряд энергии Еи =^фпэ (0гр и увеличению
Т
сопротивления Rр = фпэ / i разряда (рис. 4). Наблюдаемое уменьшение энергии Еи вкладываемой в разряд за один импульс, сопровождалось одновременным увеличением длины столба разряда L . В результате, можно сделать вывод, что
а)
б)
Рис. 5. Поведение параметров разряда УПГ в течение импульса потенциала с амплитудой фпэ = 15 кВ: а)f = 200Гц, б) fu = 1100Гц.
Обозначения: 1 - ФП/10 (В), 2 - Р (Вт), 3 - ip (мА), 4 - фп:/100 (В), 5 - R (кОм)
при возрастании частоты f происходило уменьшение объемной плотности энергии вкладываемой в разряд wp = Еи / (п'г2' L).
Поскольку с ростом частоты следования импульсов fu возрастала и длина разрядного столба Lp и сопротивление разряда R то характер изменения удельной проводимости разрядного столба ор = Lp / (п'гр' RJ, определялся неоднозначно. Обработка экспериментальных данных показала, что с ростом частоты следования импульсов fu удельная проводимость ар значительно возрастала (табл. 1).
Анализ временных зависимостей параметров разряда УПГ позволил установить, что ток разряда ip появляется только через некоторую временную задержку от начала импульса потенциала порядка t = 0.7 мкс, когда значение потенциала на покрытие-электроде достигает фпэ = 3.3 кВ. При этом двум полупериодам тока разряда ip, соответствуют два пика мощности Р, вкладываемой в разряд. Прохождение тока разряда ip через ноль наблюдается вблизи максимума импульсного потенциала фпэ.
При частоте следования импульсов меньше пороговой fu = 200 Гц и амплитуде потенциала Фпэ = 15 кВ максимальные значения тока разряда i = 150 мА и вкладываемой мощности
max
Ртах = 1845 Вт регистрируются через t = 2.5 мкс от начала импульса потенциала (рис. 5).
При частоте следования импульсов больше пороговой f = 1100 Гц и той же амплитуде потенциала, когда длина разрядного столба значительно увеличивается, поведение параметров разряда аналогичное, но значения тока и вкладываемой мощности в максимуме уменьшаются до величин i = 88 мА и Р = 1100 Вт, а сопро-
max max
тивление разряда возрастает до R = 97 кОм, соответственно (рис. 5).
Для более детального рассмотрения электрических параметров в разряде УПГ предложена эквивалентная электрическая схема разряда УПГ, которая может быть представлена в следующем виде (см. рис. 6).
Для данной замкнутой цепи в каждый момент времени t, ЭДС генератора Ег равна сумме падений напряжения на его внутреннем сопротивлении r и потенциала на покрытие-электроде фпэ (в т. А): E(t) = i(t) • r + фп£).
Внутреннее сопротивление генератора r мало по сравнению с сопротивлением внешней цепи, поэтому первым слагаемым справа можно пренебречь:
Рис. 6. Эквивалентная электрическая схема разряда УПГ.
Обозначения: г и Е - внутреннее сопротивление и ЭДС импульсного генератора; ір и іу - ток разряда и паразитный ток; Су - емкость установки;
Ср и Rа - емкость и активное сопротивление разряда
Ер) « фпэ(1).
В режиме горения разряда потенциал на покрытие-электроде Фпз1(ґ), измеряемый в т. А равен сумме падений напряжений на емкости Ср и на активном сопротивлении разряда Я и равен падению напряжения на емкости установки С :
ФпЭ1({) = ЧрЮ / Ср + ір(Ґ) • Яа(Ґ) = / С У
здесь ч (ґ) и ду(ґ) - заряд в момент времени ґ на емкости разряда и установки, соответственно. Ток генератора і1(ґ) распределяется на ток іу(ґ) через емкость установки С и ток через разряд УПГ і (ґ):
і1(ґ) = іу(ґ) + ір(ґ). Р
В отсутствие разряда потенциал на покрытие-электроде ФП32(ґ) определяется только падением напряжения на емкости установки Су, так как ток через разряд равен нулю ір = 0. В результате ток генератора і2(ґ) определяется только током іу(ґ) через емкость установки С :
і2(Ґ) = ф.
Следовательно, можно выделить ток разряда: ір(ґ) = і1(ґ) - і2(ґ).
Заряд накопленный на емкости разряда Ср за время ґ можно определить через интеграл тока разряда і (ґ) по времени: ґ
Чр (0 = { ір {*УК.
0
В результате получаем:
1 г
ФпЭ1 (ґ) = С I ір (^ + ір (ґ) • Яа (ґ).
Ср 0
Здесь второе слагаемое в правой части определяет падение напряжения на разрядном столбе и (ґ), как на активном сопротивлении Яа:
а) б)
Рис. 7. Временные зависимости параметров разряда УПГ в качестве активной нагрузки при различной частоте следования импульсов при амплитуде потенциала Фэ = 15 кВ: а)/ = 200Гц и б)/ = 1100Гц.
Обозначения: 1 - ip (мА), 2 - и/100 (В), 3 - R (кОм)
ирф = 1(() яр.
Таким образом, выражение для падения напряжения на разрядном столбе и(), как на активном сопротивлении Яа будет иметь вид:
1 Л
ир (0 = Фпз1 (0 - с iр(т)ат.
Ср 0
Емкость разряда Ср состоит из емкости стеклянной стенки разрядной трубки и емкости пристеночных слоев разряда УПГ. Емкость Ср определялась расчетом, исходя из условия, что сопротивление столба разряда УПГ является только активным. Это условие накладывает требование совпадения фаз тока и напряжения на разрядном столбе.
По результатам измеренных зависимостей тока разряда 1() и потенциала на покрытие-электроде Фпэ() были рассчитаны: падение напряжения на разрядном столбе и(), активное сопротивления разрядного столба Я (ф) и активная мощность вкладываемая в разряд Р (ф) в течение импульса (рис. 7).
Анализ временных зависимостей показал, что активное сопротивление разряда Я больше при частотах следования импульсов выше граничной частоты/ >/0 (табл. 2), в то время как ток разряда 1р при таких частотах - меньше. Для частоты ниже граничной / < /0 - ситуация обратная. Падение напряжения на разрядном столбе ир мало зависит от изменения частоты (отклонение от среднего 5%).
Зависимость напряжения на разряде и() в течение импульса потенциала повторяет изменение тока 1(), при этом также наблюдается задер-
жка тока разряда 1() относительно начала импульса напряжения и(). Активное сопротивление разряда Я (ф) в течение импульса потенциала изменялось следующим образом: на фронте импульса, когда напряжение на разряде растет, активное сопротивление разряда резко уменьшается, затем в первом полупериоде изменения напряжения активное сопротивление спадает достаточно медленно, а во втором полупериоде -практически не меняется или меняется слабо.
Сравнение вычисленной из экспериментальных данных емкости разряда для разных режимов показало, что при частоте следования импульсов больше граничной/ > /и0, рассчитанная емкость получалась меньше, чем при более низкой частоте /и < кию-
Исследования показали, что существует два различных режима существования разряда УПГ -при низкой/и < /0 и высокой^ > /0 частоте следования импульсов потенциала. Первый режим ха-
Таблица2
Влияние частоты следования импульсов потенциала/ на параметры разряда УПГ в качестве активной нагрузки, при различной их амплитуде
<Рпэ> кВ /и, Гц Еа, мДж кОм С К-'р1 пФ ишах В
10 200 0,88 37,8 24,4 4656
1100 0,57 92,1 12,3 4470
15 200 2,00 23,3 24,3 5746
1100 1,92 73,0 18,2 6568
Рис. 8. Немонотонное распределение интенсивности интегрального излучения по длине разряда. Фотографии сняты с интервалом 0.2 с. Давление воздухар = 0.5 Торр, фпэ = 10 кВ, f = 720Гц.
рактеризуется малыми размерами области свечения разряда, большими значениями разрядного тока 1р и вкладываемой в течение одного импульса энергии Е , а также малыми значения сопротивления разрядного столба Яр и его удельной проводимости а . Во втором режиме размеры области свечения разряда УПГ резко увеличиваются, разрядный ток 1р и вкладываемая за импульс энергия Еи падают, а сопротивление разряда Яр и его удельная проводимость ар - сильно возрастают. Такое поведение параметров разряда УПГ указывает на существование принципиально различных механизмов поддержания разряда УПГ при низкой /и < /и0 и высокой /и > /и0 частотах следования импульсов потенциала. Изменение механизма может быть связано с балансом заряженных частиц в столбе разряда УПГ.
При низкой частоте следования импульсов потенциала /и < /и0 за промежуток между импульсами отрицательный потенциал стенки разрядной трубки, формируемый за счет амбиполярной диффузии, может уменьшаться ниже порогового значения, необходимого для поддержания баланса заряженных частиц. В результате этого резко увеличиваются энергетические затраты на поддержание разряда и длина разрядного столба оказывается достаточно малой. Из-за небольшой концентрации заряженных частиц удельная проводимость разрядного столба также будет невелика, при этом при малой длине разряда его сопротивление также будет мало, несмотря на малую удельную проводимость.
При большой частоте следования импульсов /и > /и0 промежуток между импульсами меньше, и отрицательный потенциал стенки разрядной трубки будет выше порогового значения, необходимого для поддержания баланса заряженных
частиц. В этом случае энергетические затраты на поддержание разряда УПГ существенно уменьшаются и его длина резко возрастает, также как и концентрация заряженных частиц в столбе разряда. Это обуславливает увеличение удельной проводимости разряда, но вследствие существенного удлинения разрядного столба также увеличивается и его общее сопротивление, несмотря на высокую удельную проводимость.
При значениях частоты следования импульсов fu близких к fu0 поведение разрядного столба при определенных условиях оказывалось неустойчивым. В эксперименте это проявлялось в периодическом изменении длины области свечения в течение времени и немонотонное распределение интенсивности интегрального излучения по длине разряда (рис. 8).
Период наблюдаемых изменений составлял порядка одной-двух секунд. Синхронно с периодическими изменениями длины разряда Lp регистрировались аналогичные изменения разрядного тока i . p
В результате проведенных исследований установлено, что частота следования импульсов положительной полярности при возбуждении разряда УПГ существенно влияет на его характеристики. При возбуждении разряда УПГ в воздухе под давлением порядкар = 1 Торр, существует узкая область граничной частоты fu0 шириной порядка 100 Гц, где наблюдается резкое изменение его параметров. Увеличение частоты импульсов fu в этой области приводило к возрастанию длины области свечения разряда в 6-12 раз, при уменьшении разрядного тока в 1.6-1.7 раз. Измерение электрических параметров разряда УПГ показало, что в этих условиях происходит сильное (в 1.5-2 раза) уменьшение энергии, вклады-
ваемой в разряд за один импульс, при одновременном увеличении минимального сопротивления разрядного столба в 1.6 раза.
В работе предложена эквивалентная электрическая схема разряда УПГ, позволившая рассчитать емкость разряда и его активное сопротивление. Под емкостью разряда понимается емкость стеклянных стенок разрядной трубки и пристеночных слоев разряда УПГ. Установлено, что при увеличении частоты следования импульсов /и емкость разряда уменьшается в 1.3-2 раза, а активное сопротивление увеличивается в 2.5-3 раза. На фронте импульса потенциала активное сопротивление разряда резко падает, затем в первом полупериоде продолжает более медленно уменьшаться, а во втором полупериоде - меняется слабо. Вблизи граничной частоты следования импульсов /и0 обнаружена неустойчивость параметров разряда УПГ, заключающаяся в периодическом изменении длины области свечения и тока разряда с частотой порядка 1 Гц, сопровождающаяся немонотонным распределением свечения по длине разрядного столба. Предложен механизм скачкообразного изменения параметров разряда УПГ на частоте/^, связанный с балансом заряженных частиц в разряде УПГ.
Библиографический список
1. Герасимов И.В. Патент РФ N2076381 «Поверхностный и объемный источник зарядов од-
ного знака» (приоритет от 25.03.1991), БИ 9 (1997).
2. Герасимов И.В. Излучательные свойства разряда униполярного пробоя газа // Журнал технической физики. - 1994. - Т. 65. - С. 30-35.
3. Герасимов А.И., ГерасимовИ.В., СуховА.К., Якунина Л.В. Исследование спектра излучения разряда униполярного пробоя газа в воздухе при изменении давления // Вестник КГУ им. Н. А. Некрасова. - 2005. - N° 3. - С. 10-14.
4. Герасимов И.В., Сухов А.К. Исследование распространение разряда униполярного пробоя газа // Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова. - 2005. -№ 11. - С. 5-10.
5. Сухов А.К., Копейкина Т.П. Исследование функции распределения электронов по энергиям в разряде униполярного пробоя газа (УПГ) // Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова. - 2008. - J№3. -C. 30-34.
6. Gerasimov A.I., Gerasimov I.V Some aspects of practical use of radiative properties of the electrodeless discharge of unipolar breakdown of gas (UBG) // Proc. Fifth European Conf. on Thermal Plasma Processes (TPP-5). St. Petersburg. 1998. New York. Begel House. V. I. - Pp. 132-137.
7. Gerasimov A.I., Gerasimov I.V The application of the volume with the electrodeless discharge of unipolar breakdown of gas (UBG) as a source of free charges in volumes of water conducting solutions // Proc. XXIV Int. Conference on Phenomena in Ionized Gases, Warsaw. - Poland. 1999. V I. - Pp. 25-26.
УДК 616.8
Г.И. Каторгина
РЕГУЛЯТОРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ СИСТЕМЫ МОЗГОВОГО КРОВООБРАЩЕНИЯ У УЧАЩИХСЯ С ЗАДЕРЖКОЙ ПСИХИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ, ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ РАССТРОЙСТВАМИ РЕЧИ И ОСТАТОЧНЫМИ ЯВЛЕНИЯМИ СОТРЯСЕНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА
В настоящей работе представлены новые подходы к оценке регуляторных механизмов церебрального кровообращения и коррекции с помощью аппарата «ТрансАир-02» в сочетании с витамином РР и препаратом эскузан.
Ключевые слова: «ТрансАир-02», витамин РР, эскузан, стимуляция, регуляция.
ТТе
Дн
настоящее
етальное изучение наличия функционального напряжения механизмов регуляции мозгового кровообращения в настоящее время является актуальной задачей. С этой целью мы рассмотрели влияние определенных физиологических нагрузок на изменение скорости мозгового кровообращения.
Как пишут В.В. Парин и РМ. Баевский (1980), для исследования биологических регуляторов по аналогии с техническими системами может быть использован метод внесения определенных экспериментальных возмущений. Наблюдая при этом процесс регулирования можно сделать выводы о его качестве и возможностях. Практичес-
