Исследование интегральных характеристик униполярного коронного разряда барьерного типа

УДК 621.375.826

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УНИПОЛЯРНОГО КОРОННОГО РАЗРЯДА БАРЬЕРНОГО ТИПА

© 2004 В.П. Шорин1, И.А. Бакулин2, О.А. Журавлев1, А.В. Ивченко1

1 Самарский государственный аэрокосмический университет 2 Самарский филиал Физического института им. П.Н.Лебедева РАН

Приведены результаты экспериментальных исследований влияния скорости перемещения диэлектрика на развитие коронного разряда барьерного типа. Анализируется процесс формирования усредненной поверхностной плотности зарядов в зависимости от скорости диэлектрика, а также приведена качественная картина распределения потенциала поверхностных зарядов.

Широкое применение коронного разряда в технике принципиально ограничено его малой мощностью. Сила тока в короне сдерживается пространственным зарядом внешней области разряда. На эту область приходится значительная доля падения потенциала в разрядном промежутке. К числу основных способов интенсификации разрядного процесса стало применение микропроводов [1], а также введение газового потока в межэлектродный промежуток [2]. Другим перспективным направлением решения данной проблемы явилось применение движущего диэлектрика для адсорбции объёмного заряда и его переноса на заземленный электрод [3, 4].

В работах [3-6], посвященных исследованию газового разряда в промежутке между катодом с сильно неоднородным полем и движущейся диэлектрической подложкой, рассматривались вопросы повышения эффективности ионизационных процессов применительно к рабочим камерам лазеров атмосферного давления и плазмохимических генераторов. В процессе исследований было установлено, что диэлектрическая пленка в результате поляризации в высоковольтном поле становится активным аккумулятором образующегося объёмного заряда, выполняя функцию распределенного сопротивления. Это способствует повышению однородности тока при формировании поверхностного разряда и изменению условий его перехода в контра-гированную фазу Предложенная физическая модель рассматривает протекающий процесс

как совокупность коронного разряда на ост-рийном электроде и поверхностного разряда, возникающего при переносе зарядов к токосъёмному электроду за счёт перемещения поляризованного диэлектрика.

Для аналитического описания процесса формирования зарядовых рельефов на поверхности диэлектрика можно воспользоваться моделью, предложенной в работе [7]. Система уравнений, объединяющая процессы переноса зарядов во внешней области коронного разряда с поверхностными процессами, выглядит следующим образом:

— = -divj

а '

р = (n+z +- n z )e

. , + + + _ _ __ _z!,

j = (д nz + д nz )eE ,

div(E) =

e qS

5ö

а

= _ Jz

Здесь: г - объёмная плотность зарядов; j - плотность тока, п,п- - объёмная концентрация ионов соответствующего знака; д+, д- -подвижности ионов; е - элементарный заряд; Б0 - электрическая постоянная; jz - нормальная составляющая плотности тока; ст - поверхностная плотность зарядов на диэлектрической подложке.

После некоторых допущений (п+<< п-, д-

=д, б=1) и ряда преобразований уравнение, характеризующее изменение объёмной плотности заряда, приобретает вид:

— = + дБ • gradp ^ в0

которому в приближении стационарности процесса соответствует:

р2 ^

— + Б • gradp = 0 .

8 0

В итоге для определения профиля зарядов на поверхности диэлектрика необходимо знание распределения электрического поля вблизи поверхности подложки, аналитический расчет которого является самостоятельной и далеко нетривиальной задачей.

Цель настоящей работы заключалась в экспериментальном исследовании характера взаимодействия коронного разряда с формируемым на поверхности диэлектрика зарядом в зависимости от скорости перемещения диэлектрической подложки и сопротивления межэлектродного промежутка. Кроме того, в задачу входило качественное исследование распределения потенциала на поверхности диэлектрика.

Описание установки

Исследование коронного разряда, сформированного в воздушной среде атмосферного давления, проводилось на экспериментальной установке, разработанной в СГАУ Основными элементами установки являются два электрода ножевого типа, объединяемых в общую разрядную цепь движущимся диэлектрическим слоем (рис. 1).

Катод 1 имел радиус кривизны рабочей кромки 50 мкм и протяженность 15 мм. В качестве диэлектрической подложки 2 использовалась лента из полиэтилентерефтала-та (лавсан), имеющая ширину рабочей поверхности 42 мм и толщину слоя d=0,2 мм. Лента располагалась на боковой поверхности металлического ротора 3 шириной 40 мм и радиусом R=50 мм. Анод 4 был выполнен в виде заземленного электрода с радиусом рабочей кромки 50 мкм и имел протяженность 37мм. Электроды 1 и 4 размещались на расстоянии 90 мм относительно друг друга вдоль

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

по образующей поверхности ротора. Величина зазора между катодом и поверхностью диэлектрика составляла ^=1,5мм. Ширина промежутка между диэлектриком и анодом в ходе экспериментов принимала следующие фиксированные значения: h =(1,5; 1,0; 0,5) мм.

Вращательное движение ротора задавалось электродвигателем с плавной регулировкой угловой скорости в диапазоне (0^8000)об/ мин. Измерение скорости вращения ротора с диэлектрическим слоем проводилось часовым тахометром ТЧ10-Р (относительная погрешность 5=1%). Для эффективной поляризации диэлектрика ротор заземлялся посредством скользящего электрода 5.

Величина напряжения ик, подаваемого от источника питания на катод, контролировалась посредством электростатического киловольтметра 6 типа С197 (5=1%). Измерение разрядного тока проводилось в анодной цепи микроамперметром 7 типа М2003-М1 (5=2,5%). При исследовании профиля распределения потенциала на поверхности диэлектрика с помощью зонда использовался также электростатический киловольтметр типа С50 (5=1%).

Экспериментальные результаты

В первый момент появления на катоде высокого напряжения ик отрицательной полярности в промежутке между электродом 1 и движущимся диэлектриком 2 возникает униполярный коронный разряд. В процессе его развития на поверхности движущегося диэлектрического слоя формируется область отрицательного заряда, электрическое поле которого препятствует пространственному

и, кВ

2

дрейфу образующихся в разряде отрицательных ионов в направлении токосъёмного электрода (анода), расположенного по ходу движения диэлектрика. Однако, начиная с некоторой пороговой величины напряжения на катоде и , потенциал поверхностных зарядов становится достаточным для инициирования на токосъёмном электроде ещё одного разряда коронного типа (формируется "положительная корона"). В результате при участии движущегося диэлектрика осуществляется переход униполярного коронного разряда в фазу разряда с двумя коронирующими электродами. При этом проводимость внешней области разряда становится величиной зависимой от скорости переноса заряда диэлектрической подложкой и параметров, характеризующих её ёмкость.

В ходе исследований данного процесса проводились измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ), а также зависимости тока коронного разряда от скорости перемещения V диэлектрической подложки для каждого из приведенных значений разрядного промежутка Скорость перемещения диэлектрика изменялась в пределах от 2,28 до 5,04 м/сек.

Сравнение ВАХ (рис.2,3) показало, что с увеличением скорости переноса объёмного заряда наблюдается увеличение угла наклона ВАХ, что эквивалентно росту проводимости внешней области. При этом наличие линейных участков у графиков свидетельствуют о том, что параметры разряда в соответствующих интервалах изменений напряжения ик целиком определяются транспортными возможностями диэлектрика. Однако сопоставление относительных величин изменений проводимости внешней области и скорости V диэлектрика выявило некоторое их несоответствие, несмотря на кажущийся прямо пропорциональный характер связи данных параметров. Так, например, для промежутка на аноде 0,5 мм увеличение скорости перемещения слоя на 72% (с V1=2,93 м/сек до V4=5,03 м/сек) приводит к повышению проводимости внешней области только на 63%. Окончательным подтверждением того, что связь между данными величинами не носит строго линейный характер, стали пря-

3 400-

За'

У оС

'О/

......

4/ V*

'У У

,т ж

/У} V''

У-

•"Чг т V

№ - 1 4 = 2,93 м/сек, V = 3,94 м/сек, V = 4,55 м/сек, д V = 5,03 м/сек. д

о - 2 А - 3  - 4

1 1 1

Напряжение и , кВ

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики разряда при разных скоростях перемещения диэлектрика V и промежутке на аноде И=1 мм

13 14 15

Напряжение кВ

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики разряда при разных скоростях перемещения диэлектрика V и промежутке 1\=0,5 мм

мые измерения зависимостей тока разряда I от скорости движения V диэлектрика (рис.4).

Практически на всех графиках на рис.4 можно отметить несколько больший угол наклона для начальных участков кривых до точки перегиба, которая находится в интервале скоростей 2,0-2,5 м/сек.

Для качественного анализа динамики роста барьерного заряда на диэлектрической подложке можно воспользоваться экспериментальной зависимостью а=/(У), связывающей поверхностную плотность зарядов со скоростью перемещения слоя относительно разрядной зоны. Среднее значение поверхно-

600-

500-

3 400-

? 300-

200-

100-

Ь - ].() мм

1

т -1 ик= 8 кВ • - 2 ик = 10 кВ  - 2 и, = 12 кВ

т-1-1-1--1--1--1-1-1-|-1-'-1-г

1.0 1.5 2.0 2,5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 Линейная скорость V, м/сек

Рис.4. Зависимость тока разряда I от скорости перемещения диэлектрика V

стной плотности заряда, доставляемого диэлектриком на токосъёмный электрод, оценивалось по формуле:

I

аср = VI,

где I - поперечный размер поверхностного разряда.

За ширину разрядной зоны принималось среднее значение между длинами рабочих участков катода и анода.

Анализ графиков на рис.4 в соответствии с (8) показал, что существует некоторое значение скорости (Ух = 2,3 м/сек), при которой на диэлектрической подложке реализуется максимальная поверхностная плотность зарядов. Дальнейшее повышение скорости движения диэлектрика приводит к медленному снижению формируемой поверхностной плотности заряда, которая при скорости У4=5,03 м/сек уменьшается примерно на 9% по отношению к максимуму. Эта величина соответствует отмеченной ранее разнице между повышением проводимости внешней области разряда и ростом скорости переноса заряда.

Проводя дальнейший анализ ВАХ при скорости перемещения диэлектрического слоя порядка ~5 м/сек (рис.2, 3 кривые 4), необходимо отметить следующую тенденцию в развитии разряда: стадия линейного роста тока от прикладываемого напряжения сменяется быстро растущей зависимостью нелинейного характера. Причем этот про-

цесс, по мере уменьшения сопротивления анодного промежутка, наступает при относительно низком напряжении на катоде. По-видимому, потенциал поверхностных зарядов при данной скорости перестает играть роль фактора, ограничивающего развитие ионизационных процессов в катодном слое. В результате с ростом напряжения на фоне коронного разряд на поверхности диэлектрика появляется и стремительно развивается кистевой разряд.

Кроме того, сравнивая ВАХ разряда, полученные при одинаковой скорости перемещения диэлектрической подложки (У~4,5м/сек), но с разным значением расстояния между анодом и подложкой (рис.5), нельзя не отметить следующие факты. Понижение величины напряжения зажигания с уменьшением ^ (с Ипр=8,5 кВ при Ь=1,5 мм до Ипр=5,5 кВ при ^=0,5 мм) является вполне очевидным, поскольку связано с соответствующим изменением сопротивления газового промежутка. Более значимым, на наш взгляд, является то обстоятельство, что кривые 2 и 3 (рис.5) для анодных промежутков 0,5 мм и 1,0 мм с повышением энерговкладов практически сливаются в единый график тогда, как на стадии зажигания разряда они существенно расходятся. Отсюда, а также, основываясь на результатах [8], можно предположить, что с ростом мощности разряда существенно возрастает роль коротковолнового излучения в формировании проводимо-

3

5 400

4,5 м/сек

3

% г

V - 1 = 1,5 мм • - 2 Иа = 1,0 мм  • 3 ^ = 0,5 мм

9 10 11 Напряжение 11к, кВ

Рис.5. Вольт - амперные характеристики разряда при скорости движения диэлектрика V=4.5 м/с и различных значениях промежутка 11

и = 6кВ Ь = 45 мм

О 10 20 30 40

Координата положения зонда, мм

Рис. 6. Распределение потенциала ф по ширине слоя диэлектрика на расстоянии L=45 мм от катода при ик=6 кВ и изменении скорости V подложки

сти анодной области разряда

Для получения качественной картины распределения барьерного заряда на поверхности диэлектрика было проведено исследование профилей наведенного потенциала ф методом зондового сканирования заряженной поверхности в поперечном относительно разряда направлении для разных У перемещения диэлектрика. Из рис.6 видно, что поверхностные заряды оседают на всей поверхности диэлектрической подложки, однако имеется ярко выраженная неоднородность в распределении по ширине несущего слоя. Максимум потенциала находится непосредственно на оси симметрии ленты и плавно убывает при смещении к краю (величина краевых потенциалов составляет примерно 20% от максимума).

Кроме этого можно отметить, что при увеличении скорости перемещения диэлектрика отчетливо наблюдается уменьшение центрального максимума потенциала поверхности. Диэлектрик не успевает зарядиться до первоначального потенциала при данной мощности разряда.

В случае фиксированной скорости движения диэлектрика наблюдается аналогичное изменение профиля потенциала поверхности при перемещении вдоль образующей ротора (рис.7). При удалении от катода центральный максимум потенциала убывает, что, по-видимому, вызвано дрейфом зарядов на

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Координата зонда, мм

Рис. 7. Распределение потенциала ф по ширине слоя диэлектрика для двух расстояний L от катода

при ик= 6 кВ и скорости подложки V=2.7 м/с

границы диэлектрического слоя. Выводы

Исследование коронного разряда во взаимодействии с адсорбированными на поверхности зарядами показало, что движущийся диэлектрический слой, выполняя функцию распределенного пространственного сопротивления, является эффективным средством управления параметрами разряда.

Это проявляется в расширении границы устойчивости протекания коронного разряда, связанного с постоянным оттоком пространственного заряда за счет его осаждения на диэлектрике и дальнейшей транспортировки к токосъёмному электроду. Данный процесс препятствует быстрому нарастанию запирающего потенциала, что позволяет существенно увеличивать мощность коронного разряда.

С другой стороны, при изменении скорости переноса заряда и параметров диэлектрического слоя обеспечивается возможность целенаправленного управления процессом развития разряда.

Полученные данные о распределении заряда на поверхности диэлектрика дают лишь качественное представление об общих тенденциях в изменении зарядового профиля при изменении того или иного задействованного параметра. Тем не менее, однозначно можно утверждать следующее: в области

катода поверхностные заряды максимально сконцентрированы вблизи осевой линии диэлектрического слоя. По мере продвижения в направлении анода проявляется тенденция растекания зарядов в периферийные зоны слоя. Это приводит к снижению величины центрального максимума профиля поверхностного потенциала. Аналогичная тенденция наблюдается и при увеличении скорости перемещения диэлектрической подложки.

Особый интерес представляет область положительного коронного разряда в промежутке ha, поскольку она является, по-видимому, мощным источником ионизирующего излучения. Выбирая режим протекания разряда, можно регулировать размеры области поверхности диэлектрика, участвующей в разрядном процессе (практически можно регулировать площадь излучаемой поверхности). При этом в широком диапазоне разрядных мощностей визуально наблюдалась высокая степень однородности поверхностного разряда.

Отмеченные особенности приобретают важное значение в случае использования разряда данного вида при разработке электроразрядных газовых лазеров. Представляется перспективным изучение вопроса об эффективности применения данного разряда в качестве системы предыонизации или устройства для генерации плазменного электрода в ТЕА СО2-лазерах.

Работа поддержана грантом РФФИ №№ 0202-17172.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Бахтаев Ш.А. Коронный разряд на микропроводах и его применение // Тез. докл. II Всес. совещания по физике электрич. пробоя газов. Тарту: 1984.

2. Акишев Ю.С., Напртович А.П., Трушкин Н.И. Стационарный тлеющий разряд при атмосферном давлении: физика и применение// Тез. докл. VII конфер. по физике газового разряда. Самара: СГАУ. 1994.

3. Журавлев О.А., Федосов А.И. Исследование коронного разряда в газовом промежутке с диэлектрической пленкой на подвижном электроде // Самара: САИ, 1991. Деп. в ВИНИТИ №377-В91, 23.01.91.

4. Журавлев О.А., Федосов А.И. Некоторые особенности разряда в газовом промежутке с диэлектриком на подвижном электроде // Тез.докл. VI конф. по физике газового разряда. Казань: КАИ, 1992.

5. Журавлев О.А. Устройство возбуждения объёмного разряда в плотных газах // Патент 2030046 МКИ НО1 S3/0977. №4842699/25. Бюл. № 6 от 21.02.95 г.

6. Журавлев О.А., Марков В.П., Федосов А.И., Шорин В.П. Формирование униполярного газового разряда в промежутке с подвижным электродом и применение его для исследования процессов взаимодействия с поверхностными зарядно-разряд-ными структурами.Деп. в ВИНИТИ, №865-В98 ОТ 25.03.98.

7. Шорин В.П., Журавлев О.А., ФедосовА.И., Ивченко А.В., Марков В.П. Разработка модели поверхностной волны зарядов затухающего коронного разряда // Известия Самарского научного центра РАН. 1999. №1.

8. Акишев Ю. С., Грушин М.Е., Дерюгин.А.А. и др. Интегральные и локальные характеристики протяженной положительной короны в воздухе в режиме нелинейных колебаний // Физика плазмы. 1999. Т.25. №11.

INVESTIGATION OF BARRIER CORONA DISCHARGE INTEGRATION PERFORMANCES

© 2004 V.P. Shorin \ I.A. Bakulin 2, O.A. Zhuravlev \ A.V. Ivchenko 1

1 Samara State Aerospace University 2 Samara Branch of Physics Institute named for P.N. Lebedev of Russian Academy of Sciences

Are represented, experimental researches results of influence speed removing of a dielectric lay on a development of barrier corona discharge. The process forming average surface density of charges from speed of a dielectric is parsed. Diagrams of surface charges potential distribution, are reduced.