УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА В ПЛОТНЫХ ГАЗАХ
APPARATUS FOR EXCITING SPATIAL CHARGE IN DENSE GASES

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для возбуждения активных сред газовых лазеров высокого давления. Кроме того, оно может быть востребовано в электротехнике и тех областях техники, где применяются протяженные области коронного разряда.
Известно устройство, электростатический генератор, содержащий транспортер электрических зарядов, включающий в себя несущий диэлектрик (ленту) с закрепленными поперек его длины электродами, ведущий и ведомый валы, зарядное и токосъемное устройства [1], в котором использован аналогичный способ перемещения зарядов. Недостатком устройства является наличие двух валов в конструкции, приводящее к ее усложнению, увеличению размеров устройства и снижению надежности функционирования.
Известно устройство, принятое в качестве прототипа, содержащее вращающийся полый диэлектрический цилиндр с экраном и металлизированной диэлектрической пленкой, вдоль которого с некоторым зазором установлены коронирующий и токосъемный электроды ножевой формы, соединенные с источником высокого напряжения, патент МКИ №2030046 H01S, 3/0977 [2]. В зоне коронирующего электрода ножевой формы устройства формируется устойчивый объемный разряд в газовой среде атмосферного давления, величина тока которого ограничивается скоростью движения диэлектрика V, поверхностной плотностью нанесенных зарядов и длиной коронирующего электрода ножевой формы. При фиксированных значениях габаритных размеров: радиуса ротора R и длины коронирующего электрода ножевой формы, мощность разряда определяется угловой скоростью вращения ротора ω, т.к. V=ωR, и емкостью диэлектрической пленки.
p.
-2
Адсорбция зарядов на поверхности диэлектрической пленки и транспортировка их к токосъемному электроду ножевой формы в устройстве осуществляется благодаря возникновению индуцированного поля в диэлектрике, вследствие его поляризации электрическим полем в системе: коронирующий электрод ножевой формы - экран (последний выполняет функцию вспомогательного электрода). При прекращении воздействия внешнего поля, диэлектрик через некоторый интервал времени (τ- время релаксации) возвращается в исходное состояние. Для дипольной поляризации это время может достигать ~10 сек [3]. В течение этого времени в диэлектрике существует поле, удерживающее заряды на поверхности. Этот факт накладывает определенные ограничения на величину допустимой скорости вращения ротора устройства-прототипа, а следовательно, ограничивает возможности увеличения мощности разряда.
В качестве недостатков известного устройства можно указать следующее:
- невозможность обеспечения полного стекания поверхностных зарядов на токосъемном электроде ножевой формы при вращении с угловой скоростью выше критического значения: ,
где L - длина дуги между коронирующим и токосъемным электродами ножевой формы; ввиду наличия остаточного индуцированного поля в диэлектрическом слое при прохождении зоны токосъемного электрода ножевой формы. Это приводит к потерям в мощности разряда;
- снижение эффективности процесса осаждения пространственных зарядов на пленку в зоне горения коронного разряда, ввиду наличия остаточных зарядов на ее поверхности при скорости вращения ротора выше следующего значения:
.
Последний фактор приводит к периодическому срыву устойчивого режима горения, так как в зоне коронного разряда накапливается избыточный пространственный заряд.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании устройства, обеспечивающего увеличение мощности непрерывного объемного газового разряда в плотных средах, во всем диапазоне конструктивно допустимых скоростей вращения ротора.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем источник высокого напряжения, соединенный с протяженными коронирующим и токосъемным электродами ножевой формы, установленными вдоль диэлектрического цилиндра, выполненного с возможностью вращения, на внешней поверхности которого расположены электропроводящий экран и диэлектрическая пленка, экран выполнен в виде нескольких протяженных вдоль цилиндра секций, электрически изолированных друг от друга.
Причем отдельные секции экрана в определенных позициях посредством скользящих контактов включены в электрическую цепь источника напряжения. Секция экрана, проходящая в процессе вращения зону коронирующего электрода ножевой формы, соединяется с заземленным полюсом источника, а секция экрана, проходящая зону токосъемного электрода ножевой формы соединяется с потенциальным полюсом источника.
При этом величина потенциала на секции экрана регулируется, например, потенциометром и т.д. Это позволяет оптимизировать величину напряженности поля в зоне токосъемного электрода ножевой формы для эффективного стекания поверхностных зарядов.
Изобретение поясняется двумя иллюстрациями, где на фиг.1 изображена схема устройства: сечение А-А (Фиг.2) и электрическая схема подключения, а на фиг.2 - вид по Б (Фиг.1).
Устройство состоит из источника высокого напряжения 1, коронирующего электрода 2 ножевой формы, токосъемного электрода ножевой формы 3 и цилиндрической оболочки, состоящей из диэлектрического цилиндра 4, на поверхности которого расположены: экран 5, выполненный из электропроводящего материала, и диэлектрическая пленка 6, фиг.1. Экран разделен на две и более секции 5, протяженных вдоль цилиндра, электрически изолированных друг от друга, фиг.1, 2. Цилиндрическая оболочка закреплена на валу вращения 7, образуя ротор. Включение секций экрана в электрическую цепь источника напряжения в соответствующих позициях осуществляется через скользящие контакты 8, 9 роликового или иного типа, за счет касания внутренней поверхности секций, выступающих относительно тела диэлектрического цилиндра. Потенциал секции, проходящей зону токосъемного электрода ножевой формы, может задаваться регулятором 10, например потенциометром. Количество секций и их ширина (по дуге) задаются параметрами конструкции конкретного устройства, а именно: диаметром ротора и расположением токосъемного электрода ножевой формы относительно коронирующего электрода ножевой формы. При этом ширина секции (длина дуги сегмента) должна быть меньше длины наименьшей дуги, соединяющей зоны коронирующего и токосъемного электродов по внешней поверхности ротора, кроме того, секция не должна замыкать скользящие контакты. Для предотвращения поверхностного пробоя между потенциальной секцией экрана и заземленной, целесообразно реализовать такое конструктивное исполнение, чтобы между ними располагалась хотя бы одна секция без коммутации в электрическую цепь.
Работает устройство следующим образом.
При вращении ротора от источника высокого напряжения 1 на коронирующий электрод ножевой формы 2 подается высокое напряжение и обеспечивается зажигание коронного разряда. Полюс источника с нулевым потенциалом заземлен и соединен с токосъемным электродом ножевой формы 3. Секция экрана, которая проходит зону коронирующего электрода ножевой формы, посредством скользящего контакта 8 соединяется с заземленным полюсом. Тем самым обеспечивается развитие коронного разряда барьерного типа, а в диэлектрической пленке 6 в результате поляризации индуцируется компенсационное поле, которое обеспечивает адсорбцию зарядов на поверхность пленки. При перемещении заряженного участка поверхности в зону токосъемного электрода ножевой формы 3 соответствующая секция экрана сначала отрывается от земли, а затем посредством аналогичного скользящего контакта 9 подключается к потенциальному полюсу источника высокого напряжения. В результате чего происходит переполяризация диэлектрика. Вновь индуцированное поле в слое имеет обратную направленность и носит отталкивающий характер по отношению к зарядам, адсорбированным на поверхности пленки. Кроме того, поле в системе: потенциальный экран - заземленный токосъемный электрод ножевой формы, является постоянно действующим и ускоряющим движение зарядов к токосъемному электроду ножевой формы, поскольку скорость дрейфа ионов в газе:
др.
V=К·Е,
где К- подвижность ионов;
Е - напряженность электрического поля.
Таким образом, создается условие для полного стекания зарядов на токосъемный электрод ножевой формы. Потенциал на экране может быть равным значению потенциала на коронирующем электроде ножевой формы, либо изменяться регулятором 10 (например, потенциометром и т.д.) до оптимального значения. В процессе дальнейшего смещения диэлектрического слоя в область разряда приходит полностью разряженная пленка не зависимо от скорости вращения. Это обеспечивает максимальную эффективность процесса адсорбции пространственных зарядов диэлектрической пленкой устройства. Лимитирующим фактором роста мощности разряда будет только емкость диэлектрического слоя.
Литература
[1]. Новиков М.Т. Электростатический генератор. // Заявка: 4936018/25 от 1991.05.14. RU (11) 2027298 (13) С1, (51) 6 H02N1/08.
[2]. Журавлев О.А. Устройство возбуждения объемного разряда в плотных газах. // Патент 2030046 МКИ H01 S3/0977. -№4842699/25. Бюл. №6 от 21.02.1995 г.
[3]. Физические величины: Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина,
A.M. Братковский и др.; Под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М., Энергоатомиздат, 1991.