Отрицательный коронный разряд и газодинамические факторы

При использовании специальных мер стабилизации стационарной отрицательной короны удается отодвинуть токовую границу появления искры в газе в сторону ее увеличения. К мерам стабилизации можно отнести использование балластного сопротивления и резистивных электродов, а также продув газа через разрядный промежуток [1-3]. Поэтому представляет интерес исследование влияний стабилизирующих факторов на область существования разряда.

Разряд, реализованный в электродной системе острие – плоскость в аргоне, при использовании мер стабилизации приводит к появлению нового типа разряда – тлеющего разряда атмосферного давления [4-7], что открывает большие возможности его практического применения. Исследование токовой границы существования разряда, а именно влияние физических особенностей отрицательной короны, переходящего в тлеющий разряд атмосферного давления, представляет фундаментальный и практический интерес. В этом ключе следует отметить работу [8], где подробно рассмотрена токовая структура отрицательного коронного разряда и представлена эмпирическая формула для расчета ВАХ, учитывающая различные геометрические факторы характеристик развития отрицательного коронного разряда. Теория отрицательного коронного разряда пока не в состоянии дать точную методику расчета ВАХ коронного разряда в аргоне.

В области технологического поля применения важнейшей задачей является формирование и поддержание устойчивого горения разряда, не переходящего в искровой при вариации в широком диапазоне плотности тока. Исследования в этой области ведутся несколько десятилетий, однако проблема формирования и поддержания устойчивости разряда по-прежнему является актуальной при разработке новых высокоэффективных устройств.

В настоящей работе представлено влияние расхода газа на критические токи и напряжения перехода в искру, как показано на рисунке 1. Повышение расхода газа приводит к увеличению тока, при котором тлеющий разряд атмосферного давления переходит в искру, а при некоторых условиях контрагируется. Из рисунка 1 следует, что при расходе газа G=47*10^-6 кг/с критический ток составляет I =45 мкА, в сравнении при G =28,2*10^-6 л/ч, I =25 мкА. Здесь также показана зависимость критического напряжения от расхода газа, когда происходит искровой пробой промежутка, причем эту зависимость можно разделить на два участка. Первый участок от G=9,4*10^-6 до

G =28,2*10^-6 кг/с, где уменьшается критическое напряжение от 9 до 4,5 кВ. Дальнейшее увеличение расхода газа приводит к незначительному уменьшению напряжения - эта область представляет второй участок. Выявлены зависимости критических токов от расхода газа (токи I перехода нестационарного режима в стационарный режим отрицательного коронного разряда; токи I_тл перехода стационарного режима в тлеющий разряд атмосферного давления).

Рис. 1. Зависимость от расхода газа критического тока и напряжения, при котором происходит искровой пробой межэлектродного промежутка отрицательного коронного разряда (4=3,5см, 5 _а =76,5 см ² ): 1 - кривая зависимости критического напряжения от расхода газа;

2 - кривая зависимости критического тока от расхода газа

При достижении значения тока I * исчезают импульсы тока. Переход стационарного режима отрицательного коронного разряда в тлеющий разряд характеризуется образованием положительного столба, а также изменением редуцированной вольтамперной характеристики, где регистрируются критические токи и напряжения каждого перехода. Зависимость критического тока I и напряжения U от расход газа на рисунке 2 показывает, что при увеличении расхода газа I уменьшается до значения 15 мкА, при этом скачка тока не наблюдается. При расходах G > 1 8,8*10^-6 кг/с происходит скачок тока от I 1 до I 2 ( I 1 - начальный ток, при котором исчезают импульсы тока, I 2^* - конечный ток, который устанавливается скачкообразно при исчезновении импульсов).

При скачке тока наблюдается перепад напряжения A U=20 В. Что касается критического напряжения перехода импульсно-периодического режима в стационарный режим, то кривая повторяет форму критического напряжения, при котором происходит искровой пробой. Величина тока I 2* при расходах газа G>28,8*10^-6 кг/с не меняется (равной 12 мкА), т. е. при расходах газа G>28,8*10^-6 кг/с значение тока скачкообразно устанавливается на одной и той же величине: I 2* = 12 мкА.

G, 10 6 кг/с

Рис. 2. Зависимость от расхода газа критического тока I и напряжения U при переходе из нестационарного (с импульсами Тричела) режима в стационарный режим отрицательного коронного разряда (4=3,5см, 5 _а =76,5 см ² ) 1 - кривая зависимости критического напряжения U * от расхода газа;

• 2    - кривая зависимости от расхода газа начального тока I 1 при котором исчезают импульсы;

• 3    - кривая зависимости от расхода газа конечного тока I ₂ , который устанавливается скачкообразно при исчезновении импульсов тока

На рисунке 3 представлена зависимость I_тл от расхода газа, откуда следует, что при повышении расхода газа увеличивается I_тл от 25 до 45 мкА, т.е. происходит стабилизирующее действие расхода газа на развитие тлеющего разряда атмосферного давления.

На рисунке 4 представлена зависимость токовой области существования развития отрицательного коронного разряда в зависимости от величины расхода газа.

Казалось бы, что достаточным увеличением расхода газа можно сколько угодно долго повышать токи без искры, однако увеличение тока приводит к искре при заданном значении межэлектродного расстояния.

Рис. 3. Зависимость от расхода газа критического тока 1тл и напряжения итл при переходе стационарного режима отрицательного коронного разряда в тлеющий разряд атмосферного давления (d=3,5 см, 5а=76,5 см2): 1 - кривая зависимости критического напряжения итл от расхода газа;

2 - кривая зависимости критического тока 1тл от расхода газа

Рис. 4. Зависимость токовой области существования отрицательного коронного разряда от расхода газа (d=3,5 см, 5а=76,5 см2)

Следующим стабилизирующим фактором является использование балластного сопротивления, которое как внешний параметр разряда играет роль стабилизирующего фактора. В данном случае возрастание величины I приводит к увеличению падения напряжения и величины тока на внешнем сопротивлении и уменьшении напряжения на разряде, т.е. происходит перераспределение общего внешнего напряжения. В результате развитие разряда происходит следующим образом: при увеличении n e уменьшается Е Ф T e i v i (T e ) ^ , при этом скорость рождения электронов увеличивается с ростом n e медленнее, чем п_е, и в ряде случаев может даже уменьшаться, что свидетельствует о стабилизирующей роли балластного сопротивления на поведение стационарного разряда.

На рисунке 5 представлена вольт-амперная характеристика при различных значениях балластного сопротивления, откуда следует, что увеличение тока разряда приводит к увеличению падения напряжения на балластном сопротивлении и при постоянной электродвижущей силе источника питания приводит к уменьшению напряжения на разрядном промежутке (рис. 5), что и подтверждает стабилизирующее действие балластного сопротивления.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика при различных значениях балластного сопротивления R (G=18,8 *10^-6 кг/с, S а =76,5 см²)

Работа выполнена при поддержке аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2010 гг.), регистрационный номер: 2.1.1/1533.