Высокочастотные электрические разряды между твердым и жидким электродами

УДК 537.525

Р. Ш. Садриев, Ал. Ф. Гайсин, Л. Н. Багаутдинова,

И. Ш. Абдуллин, Ф. М. Гайсин, Р. Р. Каюмов, Аз. Ф. Гайсин

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ

МЕЖДУ ТВЕРДЫМ И ЖИДКИМ ЭЛЕКТРОДАМИ

Ключевые слова: плазма, разряд, частота, электрод, жидкость.

Приведены результаты экспериментального исследования развития высокочастотного электрического разряда между твердым и жидким электродами с использованием видеокамеры «Sony HDR-SR72E» в диапазоне импульса с частотой от 13,8 до 100 МГц в интервале межэлектродного расстояния I = 2-20 мм.

Keywords: plasma, discharge, frequency, electrode, liquid.

Presented are the results of experimental investigation of the HF discharge between solid and liquid electrodes with the use of video-camera Sony HDR-SR72E in the range of pulse frequency from 13,8 to 100 MHz and inter-electrode distances from 2 to 20 mm.

В настоящее время наблюдается возрастающий интерес к коронным разрядам. Исследования коронного разряда ведутся в двух направлениях - исследование физических процессов различных коронных разрядов и их применение для решения технологических задач. В настоящее время основной тенденцией является применение импульсных коронных разрядов. Синтез озона в плазмохимических реакторах с использованием коронного разряда проводится в промышленных масштабах.

Озон, созданный в плазмохимических реакторах, широко применяется для обеззараживания воды и различных материалов. Важное место в исследованиях коронного разряда занимает корона переменного тока, возникающего между иглой и плоскостью. В короне переменного тока происходит изменение во времени и пространстве распределения и величины объемного разряда. В коронном разряде этого типа существенным является ток смещения. Существует большое количество работ, посвященных исследованию возникновения коронного разряда в различных условиях [1, 2 и др.]. Несмотря на это исследование высокочастотных коронных разрядов (ВЧКР) между твердым и жидким электродами практически отсутствуют. В [3] приведены экспериментальные установки для получения разрядов в пузырьках и парах жидкости. Разработаны и созданы реакторы с ВЧ и СВЧ разрядом между твердыми электродами.

Экспериментальные исследования проводились на установке, предназначенной для изучения ВЧ и СВЧ разряда между стальным электродом и технической водой при атмосферном давлении, диаметре стального электрода С = 1,5 мм, и С = 5 мм и в диапазоне межэлектродного расстояния от 2 до 20 мм. В [4, 5] приведены результаты экспериментального исследования переменного тока между твердым электродом и электролитом при пониженных давлениях

Экспериментальные исследования проводились на установке, предназначенной для изучения электрического разряда с жидкими электродами. В качестве жидкости служит техническая вода. Установка для исследования высокочастотного разряда

между твердым и электролитическим электродами состоит из электролитической ванны и твердого электрода, металлической пластины для подвода потенциала в электролит, генератора высокой частоты (^ = 13,8-100 МГц). Электрический разряд горит между твердым электродом и технической водой. Измерение напряжения производилось с использованием киловольтметра КВЦ-120, предназначенный для измерения напряжений постоянного и переменного тока до 120 кВ. Одновременно на дисплее киловольтметра отображаются уровни действующего, амплитудного и среднего напряжений, что позволяет оценить форму и искажения измеряемого напряжения. Измерения тока проводились с помощью универсального цифрового мультиметра АВМ-4307. Видеосъемка ВЧ и СВЧ разряда осуществлялась на видеокамеру «8опу ИБК-8К72Б». Время экспозиции одного кадра - 0,04 с.

На рис. 1 представлена фотография высокочастотного электрического разряда при атмосферном давлении б = 1,5 мм и I = 16 мм. В качестве твердого электрода использована стальная иголка марки сталь 40 с диаметром 1,5 мм. Анализ высокочастотного электрического разряда между твердым и жидким электродами (техническая вода) показал, что с ростом межэлектродного расстояния от 13 до 20 мм искровой разряд переходит в ВЧ коронный разряд.

В случае коронного разряда наблюдается слабое свечение плазменного столба, который имеет корневую структуру. Поверхность торца стальной иголки охватывает небольшое пятно синего цвета, которое распространяется вдоль иголки на расстоянии 3-4 мм. Вблизи жидкого электрода свечение не наблюдается. С уменьшением межэлектродного расстояния от 20 до 16 мм происходит переход коронного разряда в искровой. Если до середины межэ-лектродного расстояния наблюдается искровой разряд со слабым свечением, то вблизи жидкого электрода (техническая вода) горит контрагированная искра. На поверхности технической воды наблюдается небольшое пятно с корневой структурой. Из фотографии рис. 2 видно, что с дальнейшим уменьшением расстояния между твердым электродом и

технической водой наблюдается искровой разряд на всю длину межэлектродного расстояния. Особенностью горения искрового разряда между стальной иглой и технической водой является возникновение полуискры с корневой структурой вблизи жидкого электрода (фотография рис. 3).

На фотографии рис. 4 показана искра, которая горит между твердым электродом с диаметром 5 мм и технической водой. Искровой разряд имеет точечное пятно, как на поверхности твердого электрода, так и на поверхности жидкого электрода.

Рис. 1 - Искровой разряд при атмосферном давлении между стальной иглой с диаметром d = 1,5 мм и технической водой при I = 16 мм

Рис. 2 - Искровые разряды при атмосферном давлении между стальной иглой с диаметром d = 1,5 мм и технической водой при I = 15 мм

Рис. 3 - Разновидность искрового разряда между стальной иглой с диаметром d = 1,5 мм и технической водой при I = 15 мм

Рис. 4 - Искровой разряд при атмосферном давлении между стальным (сталь 40) штырем цилиндрической формы с диаметром 5 мм и технической водой при атмосферном давлении и l = 15 мм

Таким образом, установлено, что в случае электрического разряда между твердым электродом (стальная иголка) и технической водой с уменьшением межэлектродного расстояния ВЧ коронный разряд переходит в искровой. Выявлены некоторые особенности горения искрового разряда между твердым и жидким электродами.

Литература

1. Токарев А.В. Коронный разряд и его применение. -Бишкек, изд-во КРСУ. - 2009. - 124 с.

2. Токарев А.В. Барьерные и барьерно-поверхностные разряды в технологии синтеза озона. - Бишкек, изд-во КРСУ. 2011. - 119 с.

3. Peter Bruggtman and Cristophe Leys. Нетермические плазмы в жидкостях и контрагирующие с жидкостями (тематический обзор) / P. Bruggtman, Cr. Leys // J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 053001 (28 pp).

4. Багаутдинова Л.Н., Гайсин Аз.Ф., Абдуллин И.Ш., Гасимова Л.Ш., Гайсин Ф.М., Леушка М.А., Гайсин Ал.Ф. Некоторые характеристики низкочастотного разряда с жидким электродом / Л.Н. Багаутдинова, Аз. Ф. Гайсин, И.Ш. Абдуллин, Л. Ш. Гасимова, Ф. М. Гайсин, М. А. Леушка, Ал.Ф. Гайсин // Вестник Каз. технология. ун-та. - 2013. - № 19. - С. 296-298.

5. Багаутдинова Л.Н., Гайсин Ф.М., Абдуллин И.Ш., Мустафин Т.Б., Гайсин Аз.Ф., Самитова Г.Т., Гайсин Ал.Ф. Разряд переменного тока между твердым электродом и электролитом при пониженных давлениях / Л.Н. Багаутдинова, Ф.М. Гайсин, И.Ш. Абдуллин, Т.Б. Мустафин, Аз.Ф. Гайсин, Г.Т. Самитова, Ал.Ф. Гайсин // Вестник Каз. технологич. ун-та. - 2013. - № 19. - С. 298301.

© Р. Ш. Садриев - к.т.н., доцент каф. электротехники и электроники К(П)ФУ, srsh@list.ru; Ал. Ф. Гайсин - к.т.н., доцент каф. технической физики КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ, almaz87@mail.ru; Л. Н. Багаутдинова - к.т.н., доц. той же кафедры; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru; Ф. М. Гайсин - д.ф.-м.н., проф., зав. технической физики КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ, gasimo-va.techph@kstu-kai.ru; Р. Р. Каюмов - к.т.н., асс. каф. технической физики КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ; Аз. Ф. Гайсин -к.т.н., доц. той же кафедры.