Пульсации напряжения и тока высокочастотного емкостного разряда между медным и электролитическим электродами с понижением давления

УДК 537.525

И. Ш. Абдуллин, Ал. Ф. Гайсин, М. А. Леушка,

Аз. Ф. Гайсин, Ф. М. Гайсин

ПУЛЬСАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА МЕЖДУ МЕДНЫМ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ ЭЛЕКТРОДАМИ С ПОНИЖЕНИЕМ ДАВЛЕНИЯ

Ключевые слова: электролит, струя, частота, плазма, разряд.

Представлены результаты экспериментального исследования зависимости колебания напряжения и тока высокочастотного емкостного разряда (ВЧЕР) от внешних параметров.

Key words: electrolyte, jet, frequency, plasma, discharge.

The research of dependence of high frequency capacitive discharge current oscillations on external parameters is represented.

Введение

Интерес к подобным газоразрядным системам обусловлен перспективами практического использования ВЧЕР с электролитическими электродами и спецификой формирования свойств таких разрядов. В литературе представлены данные как о возможностях использования различных видов разрядов постоянного тока с электролитическими электродами для инактивации болезнетворных микроорганизмов, синтеза нанообъектов, разрушения вредных и токсичных примесей в воде, модифицирования поверхности материалов и изделий. Большое число работ посвящено выяснению физических характеристик плазмы и механизмов протекающих в ней процессов, включая особенности развития разрядов, влияние переноса компонентов контактирующих с плазмой растворов на формирование ее свойств. Имеются данные о спектральном составе излучения разрядов, о концентрации электронов, заселенностях внутренних степеней свободы атомов и молекул в плазме [1-15 и др.].

Целью данной работы является изучение пульсации напряжения и тока высокочастотного емкостного разряда между медным штыревым электродом и электролитом.

Экспериментальная установка и методики исследования

Экспериментальная установка (рис. 1) и методика исследования приведены в работе [13].

Обсуждение экспериментальных данных

Эксперименты с высокочастотным емкостным разрядом между медным штыревым электродом и электролитом проводились в диапазоне Р=103-105Па, и=1000-6000В при ./=13,56 МГц, межэлектродном расстоянии 1=5 мм, диаметре медного электрода а?э=5мм.

На рис. 2 приведены осциллограммы напряжения и тока ВЧЕР между медным штыревым электродом 1 и электролитом 2 на холостом ходу при атмосферном давлении. Колебания и и I имеют синусоидальный характер.

Рис. 2 - Фотография осциллограммы напряжения и тока ВЧЕР на холостом ходу между медным штыревым электродом и электролитом при ^=105Па, 4=5мм, АЦ=100 В/см, А1=16 А/см и развертка А¿=50 ш/см

Рис. 1 - Функциональная схема экспериментальной установки для исследования колебаний напряжения и тока ВЧЕР при атмосферном и пониженных давлениях

Рис. 3 - Фотография ВЧЕР между медным штыревым электродом и электролитом при _Р=105Па, /=5мм и 4,=3мм

На фотографии рис. 3 показан многоканальный ВЧЕР между медным штыревым электродом 1 и электролитом 2. Анализ фотографии ВЧЕР на рис. 3 показывает, что микроразряды 3 высокочастотного емкостного разряда охвачены ареолой 4, а на поверхности медного электрода наблюдаются точечные пятна 5. Как видно из рис. 3, в процессе горения ВЧЕР между медным штыревым электродом и электролитом возникают поперечные волны 6. Многоканальный объемный ВЧЕР носит неустойчивый характер при атмосферном давлении. Это объясняется тем, что происходит хаотические перемещения микроразрядов ВЧЕР на поверхности электролита. Такой вывод следует также из анализа осциллограммы напряжения и тока ВЧЕР между медным штыревым электродом и электролитом при атмосферном давлении (рис. 4).

Рис. 4 - Осциллограммы напряжения и тока ВЧЕР между медным штыревым электродом и электролитом при Р= 105Па, /=5мм, 4>=5мм, А и=100 В/см, А1=16 А/см и развертка А*= 50ш/см

Колебания напряжения и тока ВЧЕР между медным штыревым электродом и электролитом не совпадают с колебаниями и и I на холостом ходу. Колебания и и I имеют несинусоидальный и несимметричный характер. В пульсациях напряжения и тока ВЧЕР основной гармоники присутствуют высокочастотные составляющие. Максимумы амплитуды основной гармоники (/=13.56 МГц) напряжения промодулированы пульсацией с частотой (/1=40 МГц). Количество пиков меняется от одного до трех. Амплитуды их меняются от 10 до 40 В. Эти пульсации появляются из-за горения микроразрядов в высокочастотном емкостном разряде между медным штыревым электродом и электролитом (рис. 3). Минимум амплитуды напряжения основной гармоники имеет два пика. Амплитуда этих пиков увеличивается от 80 до 140 В. Минимумы амплитуды и также промодулированы высокой частотой. Форма пульсаций тока ВЧЕР между медным штыревым электродом и электролитом имеет значительные особенности. Размах амплитуды колебаний тока разряда ВЧЕР составляет от 32 до 64 А. Из сравнения фотографий рис. 4 и 5 следует, что с уменьшением давления от 105 до 103 Па колебания и и I высокочастотного емкостного разряда между медным штыревым электродом и электролитом становятся более устойчивыми. Если колебания и высокочас-

тотного емкостного разряда не отличаются от колебаний напряжения ВЧЕР на холостом ходу, то колебания I имеют свои особенности. Колебания тока ВЧЕР промодулированы с частотой /1—40МГц. Размах колебаний величины тока равен 48 А. Из сравнения осциллограмм рис. 4 и рис. 5 следует, что с понижением давления происходит переход многоканального высокочастотного емкостного разряда при атмосферном давлении в объемный многоканальный ВЧЕР при пониженном давлении.

Рис. 5 - Осциллограммы напряжения и тока ВЧЕР между медным штыревым электродом при пониженных давлениях Р=103Па, /=5мм, 4,=5мм, А Ц=50 В/см, А/=16 А/см и развертка А*= 50ш/см

Величина напряжения уменьшается в 1.5 - 2 раза с уменьшением давления от 105 до 103 Па. Понижение давления приводит к тому, что многоканальный ВЧЕР становится устойчивым. Небольшие модуляции тока ВЧЕР вызывают микроразряды. Амплитуда пульсаций микроразрядов меняется от 3.2 до 6.4 А. Интенсивность микроразрядов существенно уменьшается. Расчет сопротивления ВЧЕР между медным штыревым электродом и электролитом показывает, что сопротивление высокочастотного емкостного разряда возрастает в два раза. Поэтому ВЧЕР становится устойчивым по сравнению с ВЧЕР при атмосферном давлении.

Заключение

В работе исследованы особенности колебания напряжения и тока высокочастотного емкостного разряда между медным электродом и электролитом. Обнаружено, что максимумы и минимумы основной гармоники U и I промодулированы высокой частотой. Выявлено, что промодулированные частоты обусловлены микроразрядами многоканального ВЧЕР с электролитическими электродами.

Литература

1. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е.Электрофизические процессы в разрядах с твердыми и жидкими электродами. Изд-во Уральского университета. 1989, 431 с.

2. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е.Возникновение и развитие объемного разряда между твердыми и жидкими электродами // Химия плазмы. М.: 1990. Т. 16. С. 120

3. Хлюстова А.В., Сироткин Н.А., Максимов А.М.//Химия высоких энергий, 2010. Т. 44. №1. С. 77

4. Акишев Ю.С., Грушин М.Е., Каральник В.Б., Монич А.Е., Панькин М.В., Трушкин Н.И., Холоденко В.П., Чу-гунов В.А., Жиркова Н.А., Ирхина И.А., Кобзев Е.Н.//Физика плазмы, 2006, Т.32, №12, С. 1142

5. Анпилов А.М., Бархударов Э.М., Копьёв В.А., Коссый И.А., Силаков В.П. Вхождение атмосферного электрического разряда в воду// Физика плазмы, 2006, Т.32, №11, С.1048

6. Анпилов А.М., Бархударов Э.М., Копьёв В.А., Коссый И.А., Силаков В.П., Тактакишвили М.И., Темчин С.М.//Физика плазмы, 2004, Т.30, №7, С.683

7. Bruggeman P., Christophe L.//J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. V.42. 053001

8. Гайсин Ал.Ф., Насибуллин Р.Т.//Физика плазмы. 2011. Т. 37. С. 959.

9. Гайсин Ал.Ф., Саримов Л.Р.//Физика плазмы. 2011. Т. 37. С. 574.

10. Гайсин Ал.Ф.//Теплофизика высоких температур.

2013. Т. 51. С. 945.

11. Homma H, Katayama H and Yasuoka K 2008//IEEE Trans. Plasma Sci. 36 1344-5

12. Aoki Y, Kitano K and Hamaguchi S 2008// Plasma Sources Sci. Technol. 17 025006

13. Гайсин Ал.Ф., Абдуллин И.Ш., Басыров Р.Ш., Хазие в Р.М., Самитова Г.Т., Шакирова Э.Ф.// Физика плазмы.

2014. Т. 40. С. 1095.

14. Сон Э.Е., Садриев Р.Ш., Гайсин Ал.Ф., Багаутдинова Л.Н., Гайсин Ф.М., Шакирова Э.Ф., Ахатов М.Ф., Гай-

син Аз.Ф., Каюмов Р.Р.// Теплофизика высоких температур, 2014. Т.52, № 6. С. 961.

15. Гайсин Ал.Ф.//Теплофизика высоких температур, 2015. Т.53, №2. С. 18.

16. Gaisin Al.F., Sadriev R.Sh., Abdullin I. Sh., Zheltuhin V.S. COSTTD 1208/ 20 th Symposium on Application of Plasma Processes. Workshop on Application of Gaseons Plasma with Liguids. 2015. S. 160

17.Shannon M A, Bohn P W, Elimelech M, Georgiadis J G, Mari nas B J and Mayes A M 2008 Nature 452 301/

18. Du C M, Wang J, Zhang L, Li H X, Liu H and Xiong Y 2012 New Journal of Physics 14 013010/

19. Stalder K R, Nersisyan G and Graham W G 2006 J. Phys. D: Appl. Phys. 39 3457

20. Lukes P, Dolezalova E, Sisrova I and Clupek M 2014 Plasma Sourc. Sci. Technol. 23

21.Pongrac D, Kim H H, Janda M, Martisovits V, Machala Z 2014 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 315202

22. Pongrac D, Kim H H,Negishi N and Machala Z 2014 Eur. Phys. J. D 68 224

23. Machala Z, Chadekova L and Pelach M 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 222001

24. Gaisin F.M., Gaisin A.F. On plasma treatment of the metal products surface by the stream and gaseous discharge on untraditional electrodes || 6th Japan international sampe symposium exhibition, "A New Perspective in Advancement of Materials", Tokyo Big Sight Tokyo Japan, 1999. P. 315.

© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru; Ал. Ф. Гайсин - доц. каф. «Технической физики» КНИТУ им. А.Н. Туполева, almaz87@mail.ru; М. А. Леушка - асп. той же кафедры, maleushka@kai.ru; Аз. Ф. Гайсин - проф. той же кафедры, AFGaysin@kai.ru; Ф. М. Гайсин - проф., зав. каф. «Технической физики» КНИТУ им. А.Н. Туполева, tf@kai.ru.

© 1 Sh. Abdullin, professor, head of the Department "Plasma chemical and nanotechnologies of high-molecular materials", KNRTUabdullin_i@kstu.ru; Al. F. Gaisin, associate professor, associate professor the Department of Applied Physics Tupolev KNRTU, almaz87@mail.ru; M. A. Leushka, postgraduate the same Department, maleushka@kai.ru; Az. F. Gaisin, рrofessor the same Department, AFGaysin@kai.ru; F. M. Gaisin, рrofessor, head of the Department of Applied Physics Tupolev KNRTU, tf@kai.ru.

i30