CC BY
70
УДК 533.9
Д. Л. Кирко, А. С. Савелов
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЫ КОРОННОГО РАЗРЯДА НА ГРАНИЦЕ С ПОВЕРХНОСТЬЮ МЕТАЛЛА
Ключевые слова: коронный разряд, плазменные волны.
Представляются свойства коронного разряда, создаваемого при использовании конического и цилиндрического электродов. Определены основные электротехнические характеристики разряда данного вида. Зарегистрированы электрические колебания в цепи тока разряда в диапазоне 1 кГц-100 МГц. Предлагаются возможные плазменные волны для объяснения данных колебаний. Получены результаты воздействия разряда на поверхность металлов.
Keywords: corona discharge, plasma waves.
Properties of corona discharge creating at conical and cylindrical electrodes using are represented. The main electro technical characteristics of this type discharge were determined. Electrical oscillations in the current circuit in region 1 kHz-100 MHz were registered. Possible plasma waves for these oscillations explanation are proposed. The results of discharge to metal interaction are obtained.
Введение
Поверхностные формы коронного разряда могут применяться в системах для модификации поверхностей неорганических и органических материалов [1]. Разрядная система обычно содержит один заостренный электрод, а другой электрод имеет плоскую или цилиндрическую форму и иногда приводится во вращение. Одним из свойств данного коронного разряда является появление высокочастотных колебаний в широком диапазоне частот [2,3]. Данное явление регистрируется также в системе из конического и цилиндрического электродов. Наиболее важными для исследований представляются свойства данного разряда на границе с поверхностью металла или диэлектрика.
Экспериментальное исследование плазмы разряда
Схема экспериментальной установки для изучения коронного разряда приведена на рис. 1. В опытах использовались электрод конической формы
(1) (материал сталь, медь, диаметр 3-5 мм, угол конуса а=50°-60°) и цилиндрической формы (2) (материал алюминий, сталь, диаметр 35-45 мм, толщина 10-15 мм), расположенные на расстоянии сС=0,5-40 мм. Применялся высоковольтный источник питания (4) с напряжением 1-30 кВ и током до 1 мА. На конический электрод (1) подавалась положительная полярность, а на цилиндрический - отрицательная
(2). При данных полярностях разряд имел более стабильное горение. Напряжение на разряде измерялось с помощью статического киловольтметра, а ток в цепи с помощью микроамперметра. В цепь разряда помещались ограничительные сопротивления величиной Я=0,5-100 Мом. При подаче напряжения на электроды происходит пробой и зажигается коронный разряд (рис. 2). Свечение обычно имеет сине-голубой или фиолетовый цвет, а интенсивность свечения достаточна слаба. Разряд обладает приблизительно цилиндрической формой с диаметром 2-3 мм и длиной равной размерам межэлектродного пространства.
Рис. 1 - Схема экспериментальной установки: 1 - анод, 2 - катод, 3 - коронный разряд, 4 - источник питания, 5 - электростатический зонд, 6 - магнитный зонд
1 ММ I-1
Рис. 2 - Фотография коронного разряда (время экспозиции 1 мс)
Рассмотрим основные режимы данного коронного разряда. Зависимость напряжения и от расстояния между электродами с в диапазоне значений и=1,5-3,5 кВ и сС=0,5-5 мм является приблизительно
линейной и аппроксимируется формулой: U-1,1+0,76d (кВ) (d выражается в см). Ток разряда при этом располагается в диапазоне /=5-45 мкА. Вольтамперная характеристика разряда в данном режиме достаточно точно описывается с помощью следующей зависимости [3]:
/ = (8^0^^-^)) / (d2 ln(d/ro)).
В этой формуле: ro - радиус кривизны анода, d -расстояние между электродами. Значение Uк находится из формул: U^E^o Eк=27,85(1+0,54/(5ro)1/2) (кВ/см) (5 - отношение плотности воздуха в эксперименте к плотности воздуха при нормальных условиях) и составляет U«-1,8 кВ при радиусе кривизны анода ro=0,1 мм. В данном режиме коронный разряд обладает стабильным горением.
При увеличении напряжения на межэлектродном промежутке в диапазоне значений U=4-20 кВ и при расстояниях между электродами d=5-40 мм, сила тока разряда возрастает до значений в области /=70-150 мкА. Форма вольтамперной характеристики является приблизительно линейной. Структура разряда в этом режиме приобретает ветвистую форму, состоящую из множества тонких каналов. Данные искровые каналы выходят из острия анода и разветвляются на площадь катода около 10-15 мм в диаметре. Режим горения разряда может приобретать нестабильный режим, а ток при этом испытывает пульсации с частотой 0,5-1 Гц.
Вращение одного из электродов или диэлектрического цилиндра, расположенного между электродами, улучшает пространственную однородность коронного разряда [1,4]. Подобные опыты в данной работе проводились с помощью диэлектрика цилиндрической формы (материал оргстекло, стеклотекстолит, диаметр 3-5 см, толщина 3-20 мм), закрепленного на оси, к поверхности которого подводились два конических электрода (материал: сталь, медь). Вращение диэлектрика обеспечивалось с помощью электромотора (мощность 8 Вт). При подаче высокого напряжения на электроды начиная с U=10-12 кВ возникал коронный разряд. Ток в цепи разряда составлял /=5-20 мкА. Частота вращения находилась в диапазоне v=8-19 Гц при напряжении на электродах U=11-17 кВ. Момент силы, действующий в присутствии в коронного разряда, измерялся с помощью торможения диэлектрика и составлял значение Mmax=(9,2±0,3)-10-5 Н-м. При вращении диэлектрика образуется приповерхностный слой воздуха, совершающий круговые движения и увлекающий коронный разряд. Область коронного разряда при этом увеличивается и повышается его пространственная однородность.
В данном коронном разряде было обнаружено возникновение электрических колебаний. Появление колебаний наблюдается также в случае различных коронных разрядов [2,3]. Для изучения колебательных процессов в работе использовались электрические (5) и магнитные зонды (6) (рис. 1), сигналы с которых подавались на осциллограф Tektronix TDS 2024B. Электрические зонды представляли собой металлические стержни длиной 2-8 см и
диаметром 3-5 мм. В качестве магнитных зондов использовались катушки (диаметр 2-4 мм, количество витков 70-140, толщина провода 0,1 мм), помещенные в защитные диэлектрические корпуса. Электрические зонды помещались на расстоянии 0,5-1,0 м от разряда. Магнитные зонды располагались как в непосредственной близости к разряду, так и на удалении 0,2-0,5 м от разряда. Согласно данным измерениям ток в цепи разряда представляет собой последовательность импульсов, следующих с частотой v=1-10 кГц. Отдельный импульс имеет форму пика с передним фронтом длительностью 1020 мкс и со спадом на заднем фронте длительностью в течении 200-300 мкс. На фоне спада импульса появляется колебательный процесс с более высокой частотой 1=0,1-100 МГц. Для получения распределения частот измеренных импульсов, полученные осциллограммы были обработаны с помощью программы Origin. Основными являются следующие частоты: 5,2±0,2 кГц, 41±2 кГц, 98±5 кГц, 210±11 кГц, 1,2±0,06 МГц, 25±1 МГц, 92±4 МГц. Спектр электрических колебаний коронного разряда представлен на рис. 3.
V, МГц
Рис. 3 - Спектр колебаний тока коронного разряда
Представим возможные процессы в плазме коронного разряда для объяснения полученных колебаний. Для значений! концентрации плазмы в коронном разряде пе=10 -10 см- диапазон значений плазменной частоты шр=(4жпев2/те)1/2 будет находиться в следующем диапазоне: ор=5,5-106-5,5-109 с-1. Согласно проведенным измерениям, электронные концентрации в области пе=104-107 см-3 были зарегистрированы в коронном разряде данного типа [2,4]. Более высокие значения концентрации пе=106-107 см-3 присутствуют в области толщиной 0,3-0,5 мм, окружающей заостренную часть конического анода, где зарождаются электронные лавины. Ввиду этого возникающие колебания данного разряда в области 1=1-100 МГц можно связать с возбуждением высокочастотных плазменных волн в среде коронного разряда [5].
В настоящее время большой интерес проявляется к метаматериалам, которые обладают новыми уникальными отражательными свойствами в оптическом и высокочастотном диапазонах электромагнитного излучения [6,7]. Данные характеристики связаны с рассмотрением явлений, происходящих в тонких микронных слоях на поверхности твердого
тела. Закон дисперсии для поверхностных электромагнитных волн в металле представляется в виде: k^w/c [1+0,5(w/wp0)2], w<<wp0 , Wp0=(4xNee2/me)m , Ne -концентрация электронов в металле. Ввиду данных соотношений в металле при частотах меньших плазменной частоты могут существовать плаз-монные волны [6]. Данные волны распространяются в поверхностном слое толщиной 1-50 мкм. Согласно этим представлениям возбуждение плазмонных волн с частотами в области v=1 кГц-100 МГц возможно в тонком поверхностном слое металла анода при наличии коронного разряда. Ввиду данных рассуждений в прианодном плазменном слое коронного разряда и в поверхностном слое анода могут существовать электромагнитные волны одинаковых частотных диапазонов. Образование волн в плазме может быть вызвано рождением отдельных электронных лавин. После возникновения в разряде данные волны способны также существовать в тонком слое металла анода.
В конструкции данного коронного разряда наибольшая плотность тока достигается вблизи оконечности конусообразного анода и на плоской поверхности катода, контактирующей с разрядом. При работе коронного разряда в течении времени 10-15 мин. на поверхности анода (материал: сталь, медь) вблизи острия образуются налеты серого цвета. Поверхность данного электрода исследовалась с помощью электронного микроскопа Hitachi TM1000 (максимальное разрешение 50 нм). Изображение поверхности стального анода на расстоянии 0,1 мм от острия представлено на рис. 4.
направлении преимущественно перпендикулярном образующей конуса и обладают толщиной 0,2-0,4 мкм и длиной 5-10 мкм. Ввиду наличия углублений на поверхности анода, можно предположить, что в данном коронном разряде происходит образование токовых каналов с размерами около 1 мкм вблизи поверхности металла. Плотность тока в каналах увеличивается благодаря сжатию (пинчеванию) тока и при взаимодействии с поверхностью возникает испарение металла. В результате коронный разряд вблизи поверхности анода может состоять из множества отдельных тонких токовых каналов.
Заключение
Проводилось исследование характеристик коронного разряда между коническим и цилиндрическим электродами. Обнаружены два основных режима данного разряда, имеющие различные вольтамперные характеристики и диапазоны значений напряжений и тока. При существовании данного разряда происходит возникновение электрических колебаний. Зарегистрированные в экспериментах частоты колебаний (1 кГц-100 МГц) были сопоставлены с частотами плазменных волн, способных существовать в плазме данного разряда. Рассмотрена структура плазменных волн, возникающих в области близкой к поверхности электродов. В тонком поверхностном слое металла анода (толщина 1-50 мкм) возможно появление плазмонных волн. Изучение поверхности анода показывает микроструктурирование металла при воздействии коронного разряда.
Литература
1. О.А. Журавлев, А.В. Ивченко, И. А. Бакулин, А.Ю. Стрельников, Барьерная корона постоянного тока: процессы формирования и примеры применения. Издательство Самарского Государственного Аэрокосмического Университета, Самара, 2010. 184 с.
2. А.И. Никитин, И.О. Лейпинский, Т.Ф. Никитина, Прикладная физика, 2, 15-22 (2010).
3. Н.А. Капцов, Электрические явления в газах и вакууме. Гостехиздат, Москва, 1950. 836 с.
4. Д. Л. Кирко, IX Международная конференция: Волновая электродинамика проводящей жидкости (Ярославль, Россия, Июль 1-4, 2011). Материалы конференции. Ярославль, 2011. С.100-103.
5. Н. Кролл, А. Трайвелпис, Основы физики плазмы.
Рис. 4 - Изображение поверхности анода М^ Москва 1975 525 с.
6. Н.Д. Брандт, В.А. Кульбачинский, Квазичастицы в Воздействие коронного разряда выражается физике конденсированного состояния. Физматлит,
в появлении на поверхности углублений и структур Москва, 2007. 632 с.
в виде полос. Углубления имеют средние размеры 7. В.В. Климов, Наноплазмоника. Физматлит, Москва,
0,5-1,0 мкм и обладают неправильной вытянутой 201°. 480 с.
формой при среднем количестве 7-10 на площади 20^20 мкм. Полосы располагаются на поверхности в
© Д. Л. Кирко - к.ф.-м.н., доцент кафедры физики плазмы, НИЯУ «МИФИ», [email protected]; А. С. Савелов - д.ф.-м.н., профессор кафедры физики плазмы, НИЯУ «МИФИ»,
© D. L. Kirko - candidate of physics and mathematical science, dozent of department of Plasma physics, NRNU MEPhI, [email protected]; A. S. Savjolov - doctor of physics and mathematical science, professor of department of Plasma physics, NRNU MEPhI.
