CC BY
61
УДК: 533.9
Д. Л. Кирко, А. С. Савелов, И. В. Визгалов
ИЗУЧЕНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОВОГО РАЗРЯДА В ЭЛЕКТРОЛИТЕ
Ключевые слова: газовый разряд, плазменные волны.
Проводилось исследование характерных свойств газового разряда в электролите. Были зарегистрированы колебания тока в частотном диапазоне 0.1-25 МГц. Полученный диапазон соответствует значениям частот плазменных волн, возникающих в плазме данного разряда.
Keywords: gas discharge, plasma waves
The investigation of characteristic properties of a gas discharge in electrolyte was realized. Current oscillations in frequency region 0.1-25 MHz were registered. This region corresponds to the frequency values of plasma waves appearing in this discharge plasma.
Разряд с использованием электролита способен достаточно хорошо моделировать высокочастотные плазменные свойства. При работе разряда происходит интенсивное кипение жидкости, появление газовой компоненты и формирование плазменной оболочки. Прохождение импульсного тока в плазменной среде приводит к возникновению высокочастотных колебаний и волн. Данные колебательные процессы являются малоизученными. В некоторых работах получена возможность нанесения керамоподобных покрытий с помощью разрядов в электролите [І]. Вместе с тем, изучаются термические характеристики данного разряда для экономичного получения водорода [2].
Разряд формировался в камере из оргстекла (І) (диаметр І0 см, объем І90 см3) (рис.І),
Рис. 1 - Схема экспериментальной установки
в которую помещался электролит (2), приготовленный с помощью карбоната натрия. Катодом служил стержень из вольфрама (3) (диаметр 3 мм), помещенный в керамическую втулку (4), а анодом - кольцевая пластина (5) из нержавеющей стали. Для питания разряда использовался двухполупериодный выпрямитель (6), который создавал напряжение 0-250 В при частоте І00 Гц. При работе установки плазменная область (7) существует в непосредственной близости к катоду (3) и окружается парогазовой оболочкой (8). Изображение разряда, полученное с помощью камеры Panasonic Lumix DMC-FZ45, приведено на рис.2.
Рассмотрим основные стадии формирования разряда в электролите. Характерная вольтамперная характеристика разряда представлена на рис.3. В данном эксперименте концентрация карбоната натрия составляла І0.6 г на І л воды. На участке (0-І) зависимость
является практически линейной. При этом на катоде наблюдается формирование небольших (диаметр 0.1-0.5 мм) пузырьков водорода ввиду электролиза. В точке 1 происходит зажигание разряда, которое сопровождается появлением красно-фиолетового свечения, окружающего поверхность катода. Ввиду возникновения парогазового слоя и увеличения сопротивления среды данная зависимость искривляется (участок 1-2). Характерным цветом свечения разряда является желто-красный. В точке 2 происходит разгорание разряда и уменьшение сопротивления среды, поэтому зависимость опять становится линейной до максимума (точка 3). Характеристики плазмы на участке (2-3) составляют: температура Т=3800-4300 К и концентрация Пе=(1-5)-1015 см-3 [3]. На данном участке (2-3) в цепи тока наблюдаются интенсивные высокочастотные колебания. При уменьшении напряжения (участок 3-4-5) происходит постепенное ослабление свечения разряда и его погасание в точке 5. Обратная зависимость ввиду изменения температуры электролита содержит гистерезис. Концентрация карбоната натрия в электролите влияет на вид вольтамперной характеристики и форму гистерезиса [3].
1 см
I I
Рис. 2 - Изображение разряда (время экспозиции ^=1 мс)
I, A
1,0 - 3 1
2
0,5 -
її і і ) 100 200
U, В
Рис. 3 - Вольтамперная характеристика разряда
Представим высокочастотные колебания, присутствующие на осциллограммах тока на участке 2-3 вольтамперной характеристики разряда (рис.3). Для детального исследования спектрального состава данных колебаний использовался анализатор С1-25 (рабочий диапазон 50 кГц-70 МГц). Для изучения частотных зависимостей также использовались магнитные зонды и осциллограф Tektronix TDS 2024B. Зависимость амплитуды сигнала от частоты, полученная с помощью данного анализатора изображена на рис.4. В данном распределении
содержится достаточно интенсивные и широкие пики на частотах 1.2 МГц, 4.8 МГц, 14.3 МГц и 22.1 МГц. Более слабые пики присутствуют на частотах: 0.18 МГц и 0.41 МГц.
^ мВ
V, МГц
Рис. 4 - Частотная зависимость колебаний тока разряда
Для объяснения данной частотной зависимости требуется рассмотреть возможные плазменные процессы, имеющие близкие частоты. Для оценочных расчетов были взяты значения температуры и концентрации плазмы, наблюдаемые в экспериментах с данным
15 3
разрядом: Т=4100 К и Пє=1.5- 10 см- [3]. Величина дебаевского радиуса, характеризующая
2 1/2 5
степень экранирования в данной плазме будет равна: ^=(КГ/4лПєЄ ) =1.1 -10- см и является
достаточно малой величиной относительно характерных размеров неоднородностей в
прикатодной области разряда. В плазме разряда частота ленгмюровских колебаний принимает
2 1/2 12 -1
относительно большое значение: Шp=(4лnee ^є) =2.2-10 с- . При наличии тока в разряде и появлении его магнитного поля в плазме могут существовать магнитозвуковые волны двух типов: ионные и электронные [4]. Диапазон значений магнитного поля при токе разряда N0.1-10А составляет B=10-100 Гс. Электронные и ионные циклотронные частоты для магнитного
9 1 6 1
поля B=100 Гс равны соответственно: шBe=eB/me=1.8•10 с- и шBi=eB/mp=0.96-10 с- . Согласно свойствам данных волн в плазме разряда будут существовать волны с частотами, которые меньше данных значений швe и швi [4]. В плазме данного разряда также возможно возникновение стоячих электромагнитных волн. Для размеров камеры можно сделать оценку частоты для основной гармоники колебаний, которая составляет v=3.8 ГГц. Ввиду данных расчетов магнитозвуковые волны будут соответствовать частотному диапазону v=0.1-25 МГц, который наблюдался в ранее рассмотренных экспериментах.
Для изучения спектрального состава излучения данного разряда использовался спектрометр ЛуаШеБ (рабочий диапазон 200-1000 нм) и монохроматор МУМ (рабочий диапазон 200-800 нм). Наиболее интенсивными являются линии атомарного натрия: Na I 589 нм, 330 нм и линии атомарного водорода серии Бальмера: ^ 434 нм, Ид 410 нм, ^ 397 нм. В спектре также присутствует интенсивная непрерывная компонента. С помощью метода относительных интенсивностей спектральных линий по линиям атомарного водорода была измерена температура плазмы, которая составила T=3500-4500 К в зависимости от величины тока и режима разряда.
В ходе данного исследования были зарегистрированы частотные характеристики колебательных процессов разряда в электролите. Возникновение данных колебаний можно объяснить с помощью магнитозвуковых волн, которые могут существовать в данной плазме.
Литература
1. Суминов, И.В. Микродуговое оксидирование / И.В. Суминов, А.В. Эпельфельд // Приборы.-2001.-№9.-С.13-23.
2. Канарев, Ф.М. Низкоамперный электролиз воды / Ф.М. Канарев. - Краснодар: Изд-во Кубанского Государственного Университета, 2010.-198 с.
3. Кирко, Д.Л. Стадия пробоя электрического разряда в электролите / Д.Л. Кирко, А.С. Савелов, Б.Е. Сибиркин, А.С. Белов // Научная сессия МИФИ.-2003.-Т.4.-С.115-116.
4. Кролл, Н. Основы физики плазмы / Н. Кролл, А. Трайвелпис. - М.: Мир, 1975. - 525 с.
© Д. Л. Кирко - канд. физ.-мат. наук, доц. каф. физики плазмы Национального исслед. ядерного ун-та “МИФИ”, [email protected]; А. С. Савелов - д-р физ.-мат. наук, проф. той же кафедры; И. В. Визгалов - канд. физ.-мат. наук, доц. той же кафедры.
