CC BY
46
УДК 533.9
ЗОНДОВОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИАНОДНОЙ ОБЛАСТИ РАЗРЯДА С АНОДОМ
В ФОРМЕ ОСТРИЯ
В.И. Сысун, А.А. Тихомиров, Е.А. Тихонов, А.С. Устинов
В статье рассматривается прианодная область разряда с анодом в форме острия. Проведены измерения вольт-амперных характеристик и параметров плазмы микроплазменного образования при изменении давления, радиуса закругления анода и разрядного тока. Разработана локальная зондовая диагностика с помощью ступенчатого микронного перемещения тонкого оголённого зонда с измерением добавки тока на зонд на каждую ступень перемещения с помощью которой проведены исследования прианодной области разряда с анодом в форме острия
Ключевые слова: плазма, зондовая диагностика, микроплазменное образование
Микроплазменные источники с анодом в форме острия [1] малого радиуса закругления, менее 50 мкм, и катодом в форме плоскости в условиях давлений близких к атмосферному, имеют, при малой потребляемой мощности менее 50 Вт, высокую плотность мощности, вкладываемую в прианодное плазменное образова-Вт Кд
ние Р “10 м 2 и яркость 2 1°4 м 2 .
Разряд в такой геометрии представляет собой малое, доли миллиметра, сферическое плазменное образование, локализованное на кончике анода при тесном разрядном промежутке до катодного свечения и существует в инертных газах, таких как аргон, гелий, неон (рис. 1).
Рис. 1. Типичная фотография прианодной области в аргоне при атмосферном давлении
При осуществлении при атмосфернном давлении квазинепрерывного режима существования разряда средняя по пространству темпе-
Сысун Валерий Иванович - ПетрГУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: [email protected] Тихомиров Александр Андреевич - ПетрГУ, канд. физ.-мат. наук, доцент, e-mail: [email protected] Тихонов Евгений Андриянович - ПетрГУ, канд. техн. наук, e-mail: [email protected] Устинов Антон Сергеевич - ПетрГУ, ст. преподаватель, e-mail: [email protected]
ратура газа в области разряда может составлять порядка 60 градусов [2].
Параметры прианодной плазмы и её сферическая форма указывают на эффективную местную ионизацию вблизи кончика острия при существенном снижении плотности тока на остальную поверхность анода.
Перспективными направлениями применения таких источников являются: медицина как инструмент бактерицидного и безопасного селективного воздействия, модификация поверхности, обработка материалов, создание активной среды в лазерных технологиях.
Изучение прианодной области затруднено малыми размерами микроплазменного образования, которое характеризуется следующими не имеющими простого объяснения особенностями: Локальной привязкой к кончику анода без видимого свечения на остальную конусную часть анода; Яркой сферической частью положительного столба радиусом порядка долей миллиметра, практически невидимая остальная часть разрядного промежутка, исключая светящуюся поверхность катода.
Эти особенности требуют рассмотрения, как анодного слоя, так и положительного столба разряда при высоких давлениях.
Цель работы заключалась в исследовании прианодной области разряда с анодом в форме острия с получением данных о распределениях концентрации плазмы, потенциала, температуры электронов, условиях создания и поддержания разряда, их зависимостях от радиуса кривизны анода, давления рабочего газа и разрядного тока.
В [3] собраны данные о работах по механизмам стерилизации медицинских объектов, в том числе с помощью плазмы пониженного давления и рассмотрено влияния на процесс стерилизации концентрации озона, оксидов азота и интенсивности ультрафиолетового излучения, вырабатываемых в плазме атмосферного давле-
ния. На основе экспериментальных данных сделаны выводы о незначительности вклада известных механизмов стерилизации (за исключением стерилизации за счет нагрева медицинского объекта, неприменимой из-за неизбежного повреждения живых тканей) и о существенном влиянии концентрации плазмы атмосферного давления, при её величине большей чем
10 см , на её бактерицидные свойства. Также существенность влияния на бактерицидные свойства концентрации плазмы показана в [13], где приведены данные о разрыве клеточной мембраны от накопленного на ней электрического заряда.
В [4] получены распределение температуры газа в разряде атмосферного давления с анодом в форме острия при разрядном промежутке 3 мм
В [5] проведено спектроскопическое исследование анодной области микроплазменного источника с использованием в качестве рабочего газа гелия. Увеличение разрядного тока ведёт к пропорциональному увеличению области излучения прианодной плазмы.
В [6] показано, что при выполнении условий ^ак > 200 и Р ■ га = (0.13 —1.33) Па ■ м
Га
происходит локализация плазмы разряда в виде сферы малого радиуса ( « 0,3 миллиметра) на
конце анода в форме острия, где ёак - межэлек-тродное расстояние, г - радиус закругления анода, р - давление газа. Напряжение горения зависит от тока разряда, давления газа и меж-электродного расстояния.
Одной из причин локальной привязки разряда к кончику анода может быть контрагирова-ние разрядного канала - стягивание плазмы в тонкий, яркосветящийся шнур при повышении давления и росте тока [7,8].
В [9] исследована контракция положительного столба в инертных газах. В диффузионном режиме (рисунок 1.7), свечение разряда имеет плавно изменяющийся по оси характер и при изменении величины разрядного тока меняется непрерывно. Этот режим обычно выполняется при выполнении условия рЯ < 50 торр ■ см , где р - давление рабочего газа, Я - радиус трубки.
Рабочая камера для получения и исследования разряда, содержит закрепленные анод в форме острия малого радиуса закругления, катод в форме плоскости, а также зонд, для малого пошагового перемещения которого в камеру вмонтирован микрометрический винт.
Вакуумирование производилось вакуумной аппаратурой ЛУ-63, позволяющей получать
давление остаточных газов до 10 5 Торр. Такое остаточное давления газов сохраняется в рамках 5 процентной погрешности камере более 10 часов. Разряд осуществлялся от источника постоянного напряжения в цепи с балластным сопротивлением 100 кОм. Такой внешний вид разряда сохраняется во всем интервале экспериментальных условий представленных в данной работе. Вольтамперные характеристики представлены на рис. 2.
Ток разряда, мА
Рис. 2. Вольтамперные характеристики разряда
Напряжение горение разряда составляет 200-400 вольт, возрастая с ростом давления и величиной межэлектродного промежутка. Большая часть которого составляет катодное падение потенциала. По изменению напряжения горения разряда при разных межэлектродных расстояниях можно определить падение потенциала за микроплазменным образованием, которое при разрядном токе 10 мА для давления рабочего газа 0.5 атмосферы с 1 до 3 миллиметров от анода составляет порядка 80 вольт, а при разрядном токе 50 мА порядка 40 вольт для радиуса закругления анода 33 мкм. Увеличение давления до 1 атмосферы ведёт к увеличению падения напряжения на промежутке от 1 до 3 миллиметров от анода до величины порядка 100 вольт.
Малый размер прианодного микроплазмен-ного образования накладывает жесткие условия на возможные размеры используемого зонда. Типичный радиус цилиндрического зонда составляет порядка 10 2 см, а длина порядка 10—1 см. Дальнейшее уменьшение размеров зонда связано с большими трудностями. В настоящей работе радиус закругления анода варьировался в
пределах от 10 до 30 мкм, поэтому для получения надёжных экспериментальных данных радиус зонда по крайне мере не должен превышать радиуса закругления анода. В связи с этим применение обычных цилиндрических зондов с изоляцией в этих условиях делается практически невозможным.
Идея предлагаемого метода (рис. 3) заключается в использовании тонкого цилиндрического зонда с возможность малого пошагового перемещения. Тогда при вводе зонда в плазму зная ток до ^ и после /2 малого перемещения при одном и том же потенциале зонда можно определить ток А/ на введенную на шаге в плазму область зонда. Таким образом, пошагово вводя зонд в плазму можно определить распределение плотности тока в пространстве при заданном потенциале зонда. Это дает возможность, изменяя потенциал зонда и выполняя аналогичные операции по перемещению зонда определять локальную зондовую характеристику на какой-то заданной пространственной координате. Процесс измерения локальной зондо-вой характеристики заключается в следующем: в начальном положении (1) измеряется ток в зондовой цепи / при заданном потенциале, после чего зонд при том же потенциале вдвигается в плазму на малую величину А1, что сопровождается увеличением тока в зондовой цепи до величины /2, и принимает положение (2).
Тогда плотность тока на локальную введенную область (1)-(2) область зонда будет рав-
ной у =
где г - радиус зонда. Таким же
2щ А1
образом можно найти плотности тока на области зонда (3)-(4), (5)-(6). После чего, возвращая зонд в положения (1) и проводя те же операции при других потенциалах можно найти локальные зондовые характеристики областей (1)-(2), (3)-(4),(5)-(6).
Рис. 3. Схема зондовых исследований
В нашей работе зонд имел ступенчатое перемещение с шагом 13.9 мкм, что соответствует повороту микрометрического винта на 5 градусов, по разности токов на зонд до и после перемещения определялся ток на вводимую на шаге поверхность зонда при заданном потенциале зонда. После такого шагового измерения зонд смещался на 97 мкм или на 35 градусов для поворота микрометрического винта, после чего шаговое измерение повторялось.
Использованная электрическая схема зон-довых измерений заключалась в следующем: относительно заземлённого анода (2) на зонд (3) подается потенциал источником питания (5). Ток на зонд измеряется микроамперметром (8), а потенциал зонда относительно земли с помощью вольтметра (7).
На слайде приведена типичная экспериментальная зондовая характеристика (рис. 4) на локальную область г =20-33,9 мкм полученная пошаговым методом для разрядного тока 30 мА, и радиуса закругления анода га =23 мкм.
Поскольку длина пробега атомов гелия в условиях давлений газа близких к атмосферному составляет порядка 1 мкм, то с учетом того, что радиус зонда составляет 20 мкм, зондовые характеристики обрабатывались в приближении сплошной среды описанном в [10].
О -15
-20
и/
]
ІІ У/ ж! /—
^ /
\ ’ 1 » і » і ' і ' і « і » і
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35
Потенциал зонда относительно анода, вольт Рис. 4. Типичная зондовая характеристика
Электронная температура определялась по наклону зондовой характеристики при плавающем потенциале зонда, формула (1).
кк=, ( йк ' е 11 йи
йі йі.
- + -
(1)
йи йи
Далее определялся потенциал плазмы по сдвигу потенциала изолированного зонда относительно плазмы, формула (2).
и = и + 1п
(2)
Толщина слоя гс у зонда с учётом столкновений определялась по формуле (3).
Л
Л
сб
-1
Л
1 + 0.3
сб
Л
V
сб
-1
Ї \ з
- У5
(3)
, где - длинна пробега ионов, гсб - Бомовская
толщина слоя. Она оказалась сравнима или меньше радиуса зонда и точность её определения слабо сказывается на точность вычисления концентрации.
Концентрация электронов определялась в приближении малости объемной рекомбинации (4), где согласно диффузной теории принима-
лось
: — , где тпл - радиус плазменного п
микрообразования.
йп
= е!а —
йт
е1П±{п
0.89г.
(4)
Учитывая, что это значение стоит в формуле (4) под логарифмом, это приближение для определения концентрации применимо.
Само условие малой объёмной рекомбинации применимо из-за эффективного диффузионного ухода ионов при малом размере плазменного образования (доли миллиметра за время меньше, времени рекомбинации иона с электроном. При концентрации плазмы
П « 1015 см коэффициент рекомбинации в ге-
лии а < 10
12
см
с
что даёт для времени ре-
комбинации т >(а- пе) 1 « 10 секунды.
Время же диффузионного ухода примерно равно
2
«10 4
т
диф
секунды, то есть
Тдиф <<трек . При меньшей концентрации электронов это соотношение еще больше усиливается.
Описанным зондовым методом были получены экспериментальные данные о прианодной плазме плазмообразующего газа гелия, такие как: распределение концентрации плазмы, температуры электронов и потенциала плазмы от разрядного тока, межэлектродного расстояния, радиуса кривизны анода.
Рис. 5. Распределение температуры электронов в прианодной области
Температура электронов (рис. 5) составляет 1,5-2,2 эВ с возрастанием разрядного тока и снижением давления.
Пространственно температура электронов близка к однородной со слабым спаданием по радиусу на 0,1-0,2 эВ.
с
т
Г = т
с
Г
с
Г
з
Г
Концентрация электронов в микроплазмен-ном образовании возрастает к аноду от 1013 до 1015 см 3 примерно обратно пропорциональ-
но радиусу, а не его квадрату как плотность тока.
Суммарное падение напряжения на анодном слое и микроплазменном образовании составляет 38-54 вольта при давлении 380-760 торр, возрастая с ростом давления, и практически не зависит от тока при токах 30-50 мА.
Увеличение давления от 0.5 до 1 атмосферы приводит к увеличению концентрации электронов примерно в 2 раза (рис. 5) у анода с более быстрым спадом у границ микроплазменно-го образования.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Расстояние до анода г, мм Расстояние до анода г, мм
Рис. 5. Распределение концентрации электронов в прианодной области
Уменьшение радиуса закругление анода с 33 мкм до 13 мкм приводит к незначительному изменению радиуса плазменного образования и концентрации электронов в нем. Это подтверждает локальность привязки микроплазменного образования к кончику анода.
Потенциал плазмы вблизи анода с ростом тока слабо уменьшается (при р=0.5 атмосферы и р=1 атмосфера соответственно 32-40 вольт при 1=30 мА). Это указывает на слабо падающую
вольтамперную характеристику анодного слоя. В то же время падение напряжения на микроп-лазменном образовании наоборот, слабо растет с током (« 10-12 вольт при 1=30 мА и 12-14 вольт при 1=50 мА). Это объясняет локальную привязку к кончику анода и сферическую форму плазменного образования.
Данная работа была проведена в рамках Федеральной целевой программы Научные и научно-педагогические кадры Росси на 20092013 гг., контракт 16.740.11.0329
Литература
1. В. А. Гостев, В. И. Сысун, Ю. Д. Хромой “Точечный источник излучения” Ас СССР , № 1108957, Кл H01J61/10, 198
2. V. A. Gostev, A. A. Tikhomirov, V. S. Ignakhin, V. I. Sysun // Generator of air-plasma flow for biological and medical applications PPPT-5 Minsk, 2007. V. 2. p. 791.
3. C. Fridman, G. Friedman, A. Gutsol, A.B. Shekhter, V.N. Vasilets, A. Friedman Plasma processes and polymers. 2008, 5, DOI: 10.1002/ppap.200700154
4. V.I. Arhipenko, A.A. Kirillov, L.V. Simonchik, S.M. Zgirouski The hight-current self-sustained normal atmospheric pressure glow discharge in helium at dc and ripple voltage XXVIIth ICPIG, Eindhoven, 2005 p.4
5. Gostev V.A., Mamkovith V.V., Sysun V. I. The Investigation of Microplasma Source Radiation // Proc. Contributed papers XXIII International conference on phenomena in ionized gases. France, Toulouse. 1997. V. 5 P.80
6. Gostev V. A., Mamkovitch V. V., Sysun V.I. Radiation point source // Proceeding of the third InterKarelian conference. Teaching mathematics and physics in secondary and higher education, Petrozavodsk, Russia, 1998. p. 290-292
7. Н.А. Дятко, Ю.З. Ионих, И.В. Кочетов и др. Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование эффекта контракции тлеющего разряда в аргоне. // Материалы Всероссийской (с международным участием) конференции по физике низкотемпературной плазмы - 2007. Т. 2. - Петрозаводск, 2007. c. 136.
8. Напартович А.П., Старостин А.Н..// Химия плазмы/ Под ред. Б. М. Смирнова. М. 1979. В.6. C.153
9. Голубовский Ю.Б.., Зинченко А.К., Каган Ю.М. // ЖТФ. 1977. т.47. №7. с.1478-1484.
10. Ульянов К.Н.//ЖТФ, 1970. т.40.В.4.с.790-797
Петрозаводский государственный университет
PROBE RESEARCH OF ANODE REGION OF DISCHARGE WITH ANODE
IN THE SHAPE OF A TIP
V.I. Sysun, A.A. Tikhomirov, E.A. Tikhonov, A.S. Ustinov
The article deals with anode region of discharge with anode in the shape of a tip. Measurements of volt-ampere characteristics and parameters of plasma of microplasma formation while varying pressure, radius of the anode curve and discharge current have been carried out. The local probe diagnostics has been worked out by means of staged micron transferal of a thin bare probe while measuring the current supply on the probe on every stage of transferal. The research of anode region of discharge with anode in the shape of a tip has been conducted with the use of probe diagnostics
Key words: plasma, probe diagnostics, microplasma formation
