Исследование интегральных характеристик униполярного коронного разряда барьерного типа

• 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:

др - i=-divj,(1)

р = (n+z + - n -z - )e ,(2)

j = (ц+n+z + +ц-n-z- )eE ,(3)

div(E) = -2-

8 q 8 ,

Sc "tt

^{- j} z .

Здесь: r - объёмная плотность зарядов; j - плотность тока, n ⁺, n ^- - объёмная концентрация ионов соответствующего знака; µ ⁺, µ ^- -подвижности ионов; е – элементарный заряд; ε ₀ – электрическая постоянная; j _z – нормальная составляющая плотности тока; σ - поверхностная плотность зарядов на диэлектрической подложке.

После некоторых допущений ( n ⁺<< n ^-, µ ^-

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

др ЦР2

=     +µE⋅gradρ,(6)

∂t которому в приближении стационарности процесса соответствует:

Р2 £     ,.

+E⋅gradρ = 0 .(7)

ε 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

U , кВ

Рис. 1. Схема экспериментальной установки по образующей поверхности ротора. Величина зазора между катодом и поверхностью диэлектрика составляла hк=1,5мм. Ширина промежутка между диэлектриком и анодом в ходе экспериментов принимала следующие фиксированные значения: hа=(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 δ =1%). Для эффективной поляризации диэлектрика ротор заземлялся посредством скользящего электрода 5.

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

Экспериментальные результаты

В первый момент появления на катоде высокого напряжения Uк 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 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 Uпр, 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 hа. 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 Uк 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-

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

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики разряда при разных скоростях перемещения диэлектрика V и промежутке ha=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 σ = ƒ (V), связывающей поверхностную плотность зарядов со скоростью перемещения слоя относительно разрядной зоны. Среднее значение поверхно-

Рис. 4. Зависимость тока разряда I от скорости перемещения диэлектрика V стной плотности заряда, доставляемого диэлектриком на токосъёмный электрод, оценивалось по формуле:

I

^СТ ср = V . 1, (8) где l - 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 (V 1 = 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 V₄=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 (V~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 hа (c Uпр=8,5 кВ при hа=1,5 мм до Uпр=5,5 кВ при hа=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-

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

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

Рис. 7. Распределение потенциала ф по ширине слоя диэлектрика для двух расстояний L от катода при Uк= 6 кВ и скорости подложки V=2.7 м/с 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 V 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 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 электрораз-рядных 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.