Экспериментальное исследование влияния газодинамического потока на параметры и токовую область существования отрицательной короны

Одним из актуальных направлений в изучении коронного разряда является исследование его характеристик в потоке газа, имеющее большое практическое значение в связи с разработкой различных газодинамических устройств (электрофильтры, плазмохимические реакторы и т.д.) [1]. В начальных исследованиях отрицательной короны обнаружено, что регистрируемый электрический ток – не стационарная величина, а совокупность импульсов, которые следуют с определенной частотой (частотой Тричела) [2]. Импульсно-периодический режим отрицательной короны (импульсы Тричела) в воздухе и различных газовых смесях является известным и достаточно изученным эффектом, но обобщение результатов на случай движущейся газовой среды представляет собой самостоятельную задачу [3]. В работах [4,5] показано, что отрицательная корона в электроположительных газах (азот, аргон) реализуется при слабой прокачке газа через разрядный промежуток. Начальным этапом развития разряда в электроположительных газах является импульсно-периодический режим, характеризующийся регулярными импульсами тока, аналогичными импульсам Тричела отрицательной короны в воздухе. Малоисследованным, но универсальным эффектом является влияние потока газа на параметры катодного слоя короны, в том числе и на его устойчивость [6]. Важность этого вопроса связана с ключевой ролью катодного слоя в функционировании разряда, так как уста- новлено, что импульсы Тричела обусловлены нестационарностью тлеющего катодного слоя короны [7].

В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований влияния расхода аргона на параметры импульсно-периодического режима отрицательной короны в конфигурации электродов остриё-плоскость.

Результаты эксперимента

Исследование влияния расхода газа G на характеристики отрицательной короны проводилось путем обдува коронирующего острия в диапазоне изменения расхода аргона G от 0 до 5 × 10^{- 5} kg/s, при атмосферном давлении. Описание экспериментальной установки и методики исследований представлено в [5].

Осциллографирование разрядного тока показало, что при возникновении разряда регистрируемый ток короны имеет вид регулярных импульсов тока аналогичных импульсам Три-чела в воздухе. Интересно отметить влияние расхода газа G на форму импульсов тока [5]. На рисунке 1 представлены осциллограммы импульсов тока, при различных расходах газа G. Из представленных осциллограмм импульсов тока видно, что амплитуда (~50 мкА) и длительность фронта нарастания импульса тока (~5 мкс) при увеличении расхода газа G остаются практически постоянными. Как показывает эксперимент, при расходах газа G > 2 × 10-5 кг/с существенно изменяется форма импульса тока, проявляющаяся в появлении двух характерных точек перегиба на заднем фронте импульса тока.

Рис. 1. Осциллограммы импульсов тока при различных расходах газа G: а – G = 1 ∙ 10-5 кг/с; б – G = 2 ∙ 10-5 кг/с; в – G = 4 ∙ 10-5 кг/с

Рис. 2. Осциллограммы импульсов тока отрицательной короны в потоке аргона при различных расходах газа: G : I 1 – амплитуда тока смещения; I 2

– амплитуда тока проводимости; I 3 – критический ток, при котором наблюдается выпуклость заднего фронта импульса тока

Межэлектродное расстояние d = 4 cm, напряжение U = 5,66 kV, [ t ] = 0,1 ms/div, [ I ] = 20 µA/div; а – G = 1 × 10^-5 kg/s; b – G = 4 × 10^-5 kg/s

На рисунке 2 представлены осциллограммы тока I отрицательной короны в установившемся режиме следования импульсов ( U = 5.6 kV) и расходе газа G = 1 × 10^-5 kg/s (рис. 2,a) и 4 × 10^-5 kg/s (рис. 2,b). В импульсе тока отрицательной короны выделяется два характерных интервала времени, в которых эволюция тока обусловлена различными процессами (рис. 2,а) [7]. Первый интервал 1-2 , короткий передний фронт импульса тока длительностью ≈ 5,5 µs и амплитудой тока ≈ 50 µA, обусловлен током смещения и длится до тех пор, пока волна ионизации не достигнет катода. Второй интервал 2-3 начинается от вершины импульса тока (вершина импульса тока соответствует смене режима эволюции катодного слоя [7]) и длится до начала следующего импульса тока отрицательной короны. Длительность интервала 2-3 определяет период следования импульсов и лежит в миллисекундном диапазоне, что является характерным для импульсов тока отрицательной короны в чистых электроположительных газах [4,5]. В эволюции импульса тока на данной стадии основное влияние оказывает ток проводимости.

Представляет интерес рассмотреть более подробно динамику структуры заднего фронта импульса тока в зависимости от расхода газа G [8]. С увеличением расхода газа > 2 × 10^-5 kg/s на заднем фронте импульса тока отрицательной короны появляются две точки перегиба (рис. 2,b). Когда ток смещения достигает максимума I 1 , наступает небольшой спад ≈ 1-2 µA, затем в течение 1-2 µs ток в импульсе возрастает до ≈ 4-6 µA (амплитуда тока проводимости I 2 ) и, как показывает эксперимент, величина I 2 существенно зависит от расхода газа G . Достигнув максимума I 2 , ток резко уменьшается до критического значения тока I 3 ≈ 10 µA и характеризуется следующей точкой перегиба на заднем фронте импульса. После перегиба ток в импульсе спадает (за время порядка нескольких микросекунд) до величины 2-3 µA и удерживается на таком уровне вплоть до начала развития следующего импульса. Как показывает эксперимент, при увеличении расхода газа G величина тока I 3 незначительно уменьшается.

<3 л

20 ।-----------------------------------------,-----------------------------------------,-----------------------------------------,----------------------------------------,-----------------------------------------,-----------------------------------------,

G, 10-5kg/s

Рис. 3 . Зависимость амплитуды тока смещения ( I 1 ) и тока проводимости ( I 2 ) от расхода газа G

0 1 23456

G, 10-5kg/s

Рис. 4. Зависимость частоты f следования импульсов тока отрицательной короны в аргоне от расхода газа G

С увеличением расхода газа G амплитуда I 1 ≈ 50 µA остается постоянной, при этом амплитудное значение тока проводимости I 2 увеличивается (рис. 3). При плавном уменьшении расхода газа G перегибы на заднем фронте импульса тока сглаживаются и при малых расходах газа практически отсутствуют, что свидетельствует о влиянии дрейфовой области коронного разряда на характеристики разряда. Появление точек перегиба на заднем фронте импульса тока с увеличением расхода газа G приводит к увеличению длительности импульса тока и, как следствие, уменьшению частоты f следования импульсов (рис. 4).

Заключение

Исследование характеристик импульсно-периодического режима отрицательной короны в зависимости от расхода аргона показало влияние расхода газа на форму импульсов тока и токовую область существования разряда. Полученные результаты свидетельствуют о влиянии дрейфовой области коронного разряда как на автономную область разряда – катодный слой короны, т.е. на механизм формирования импульсов тока отрицательной короны, так и на характеристики разряда в целом.