Совершенствование электродной системы барьерной короны постоянного тока

Эффективным решением проблемы увеличения мощности коронного разряда постоянного тока в воздухе атмосферного давления явилось применение электродной системы с движущимся диэлектрическим слоем, предназначенным для адсорбции пространственного заряда и переноса его на заземленный электрод (рис. 1) [1]. Введение подвижного электрода 1, 2 (ПЭ), связывающего коронирующий 3 и заземленный 4 электроды, способствовало усилению ионизационных процессов и получению новых форм барьерно-стабилизированных газовых разрядов [2, 3] в барьерной короне постоянного тока (БКТП) [4].

Схематично можно представить, что в рассматриваемой электродной системе отрицательная корона, сформированная на электроде 3, преобразуется с помощью переносимого на ПЭ заряда в однородный поверхностный разряд (ОПР), который возбуждается в промежутке h с заземленным электродом 4 и далее при повышении напряжения U на электроде 3 распространяется по поверхности диэлектрической пленки 2 вверх против направления движения ПЭ. При увеличении уровня перенапряжения на коротро-

не Р =U/Ua > 1,5 ток разряда I p в промежутке между электродами 3,4 начинает превышать величину составляющей I , заданной предельно допустимой плотностью s переносимых диэлектрической пленкой зарядов

I p >  I = oVl , (1) где V – скорость движения поверхности ПЭ, l -ширина коронирующего электрода. При дальнейшем увеличении перенапряжения Р полоса ОПР может перекрывать всю ширину рабочего промежутка квазиоднородным полем свечения (рис. 2).

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки:

1, 2 – подвижный электрод (1 - токопроводящий цилиндр – ротор; 2 – диэлектрическая пленка); 3 – коронирующий электрод; 4 – заземленный электрод;

5 – заземление ротора; 6 – киловольтметр; 7 – миллиамперметр; h и h - рабочие зазоры электродов; h = 0,1 h^ ;

R=50 мм; to >  2,5 х 10 3 об/мин

Рис. 2. Свечение завершенной фазы однородного поверхностного разряда на подвижном электроде в промежутке шириной 28 мм между коронирующим 1 и заземленным 2 электродами при напряжении на коротроне U =-19 кВ, скорости V = 5 м/с и толщине диэлектрической подложки d =875 мкм

Такие качества БКПТ, как стабильность возбуждения поверхностно распределенных областей низкотемпературной плазмы в воздухе атмосферного давления, возможность широкого масштабирования параметров электродной системы позволяют говорить о перспективности применения ОПР в бескамерных технологиях газоразрядной обработки материалов и сред, а также в электрофизических устройствах типа плазменных электродов, радиоотражающих зеркал, функциональных элементов в плазменной аэродинамике [5]. В то же время можно указать на отсутствие единства представлений о физике процессов развития БКПТ, которое является следствием недостаточной наработки экспериментальных данных по электрическим и физическим характеристикам разряда.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Физическое моделирование режимов горения БКПТ требует учета большого числа параметров, определяющих условия протекания основных стадий разряда, включая характеристики диэлектрика и подвижного электрода в целом, уровни рабочих зазоров и геометрию острийных электродов. Специфика выбора электродной системы в БКПТ рассматриваемой модели определяется необходимостью одновременного возбуждения газоразрядных процессов в рабочих зазорах h_k и h (см. рис. 1) соответственно коротрона и заземленного электрода с поверхностью ПЭ. Следует учитывать, что определяющую роль в формировании ОПР играет стадия развития несамостоятельного газового разряда (типа положительной короны), возбуждаемого электрическим полем, индуцированным зарядами на поверхности диэлектрика ПЭ в промежутке h относительно заземленного электрода. В связи с малой величиной зазора ( h = 0,5 мм) напряженность электрического поля Е можно оценить как Е= ф /h, где ф -потенциал поля на поверхности ПЭ, определяемый в приближении неподвижной диэлектрической подложки известным выражением:

σd

Ф =------.

^s • ^s о

Здесь d – толщина диэлектрического слоя на ПЭ, Е - относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика, Е 0 = 8,85 X 10^-12 ф/м.

Учет движения поверхности ПЭ требует расширения представления о происходящих в рассматриваемой электродной системе газоразрядных процессах. Анализ ранее полученных результатов показывает, что уменьшение d пленки при заданных скорости V движения ПЭ и напряжения U на коротроне приводит к увеличению электрической емкости подвижного электрода и характеризуется повышением интенсивности ионизационных процессов в промежутках h_k и h . Однако происходящее при этом увеличение I_p разряда не сопровождается заметным продвижением внешней границы области свечения ОПР. Более того, увеличение перенапряжения Р >  1,6 для пленок толщиной d < 200 мкм, выполненных из такого материала, как лавсан и полиимид ( Е >  3), приводит к периодической генерации в межэлектродном промежутке каналов искрового пробоя, что говорит о снижении устойчивости ОПР.

С другой стороны, повышение толщины d подложки, как показано на рис. 2, обеспечивает увеличение устойчивости ОПР и достижение при Р >  3 завершенной фазы без контрагирования разряда. Основным недостатком ОПР на толстых диэлектрических пленках является малая величина линейной плотности тока, не превышающая 0,3 мА/см.

В работе ставится задача исследования механизмов повышения устойчивости низкотемпературной плазмы поверхностного разряда, возбуждаемого на тонких высокоомных диэлектрических пленках ( d < 200 мкм) при умеренных перенапряжениях ( Р >  2) за счет введения физически обоснованных изменений в конфигурацию применяющихся электродов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Более детальное исследование картины процессов в электродных системах, подобных рис. 2, показывает, что коронный разряд в зазоре с ПЭ уже при Р > 2 имеет крайне неоднородную структуру, реализуясь в виде протяженных стримерных каналов, распространяющихся против V движения ПЭ. Однако, как видно из рис. 2, неоднородности в структуре разряда под коротроном не отражаются на распределении поля свечения ОПР в промежутке электродов 1,2. Здесь следует отметить проявление характерного для БКПТ с отрицательным коротроном такого физического эффекта, как повышение проводимости газа в приповерхностном слое ПЭ, способствующего ускорению процесса выравнивания распределения плотности поверхностных зарядов. Это связано, по-видимому, с перекрытием ионизационных областей стримерных каналов вблизи коронирующего электрода, в том числе за счет взаимной фотоионизации. Как следствие, неравномерная картина свечения токовых каналов многостримерной короны переходит в однородное поле свечения ОПР. Высокая степень однородности ОПР появляется и в зоне заземленного электрода 2. Основной механизм такого явления может быть связан с повышением уровня ионизации газа в поле поверхностных зарядов на ПЭ, обусловленный, например, отлипанием электронов от отрицательных ионов.

Важным этапом в процессе получения завершенного ОПР является финальная часть, связанная с замыканием внешней кромки поверхностного разряда на высоковольтный электрод. Повышение устойчивости разряда на данном этапе требует введения дополнительных механизмов обеспечения однородности ОПР. В частности, для исследования процессов усиления тока разряда и уверенного возбуждения ОПР при ограниченном перенапряжении Р <2 необходимо применение специализированной электродной системы, обеспечивающей возможность оптимизационного варьирования размеров электродных зазоров, межэлектродного промежутка на поверхности ПЭ, толщины диэлектрической подложки и т.д.

В качестве примера на рис. 3 представлена разработанная электродная система БКПТ с составным высоковольтным электродом (ВВЭ) 1,2 и дополнительным заземленным электродом 3. Присоединение к острийному коротрону 1 медного насадка 2 шириной 5 мм с профилированным рабочим торцем позволило пространственно разделить функции ВВЭ, который должен иметь острийную рабочую кромку для возбуждения объемного разряда 4 в зазоре h_к и сглаженный торец для безыскрового замыкания полосы ОПР 5, развивающейся от дополнительного электрода 3. Электрод 3 выполнен с возможностью перемещения в пространстве над ПЭ и регулирования угла наклона к поверхности ПЭ.

Перенос высокого напряжения с помощью насадка 2 в сторону дополнительного заземленного электрода 3 с образованием рабочего промежутка шириной 30 мм между электродами 2,3 позволяет расширить диапазон изменения тока ОПР. При этом на рис. 3 показано, что замыкание полосы свечения ОПР на профилированную кромку насадка 2 происходит непосредственно в зазоре с ПЭ. Дальнейшее увеличение U на ВВЭ приводит к повышению интенсивности свечения полосы ОПР, что характеризует возрастание эффективности ионизационных процессов.

Устойчивость процессов возбуждения однородных форм объемного 4 и поверхностного 5 разрядов в представленной на рис. 3 электродной системе говорит о необходимости рассмотрения дополнительного механизма повышения уровня предыонизации газа в приповерхностном слое ПЭ. Такой механизм повышения концентрации зарядов в газе связывается с зарегистрированным на рис. 3 сектором с устойчивой поляризацией диэлектрической подложки ПЭ в промежутке от коротрона 1 до рабочего торца насадка 2. Нарушение устойчивости поляризованного состояния связывается в [6] с воздействием таких факторов, как нагрев диэлектрика, радиационное облучение, резкое изменение внешнего электрического поля. Все указанные факторы сопутствуют рассматриваемым в работе формам газовых разрядов и должны стать предметом дальнейших исследований.

Рис. 3. Возбуждение разрядов в специализированной системе электродов при напряжении U =–13 кВ, ширине промежутка 30 мм, скорости поверхности подвижного электрода V =16,5 м/с и толщине d =200 мкм: 1, 2 – составной высоковольтный электрод (1 – лезвийный коротрон, 2 – профильный насадок); 3 – дополнительный заземленный электрод; 4 – объемный разряд; 5 – однородный поверхностный разряд

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• 1.    Предложена специализированная электродная система, обеспечивающая стабильное возбуждение однородных форм газового разряда в воздушных промежутках с подвижным электродом.

• 2.    Введение насадка позволяет получать однородное поле свечения завершенного поверхностного разряда при меньшем напряжении на коротроне и умеренных скоростях V перемещения ПЭ. Насадок обеспечивает сохранение рабочей кромки коротрона от искрового пробоя. При этом достигается увеличение линейной плотности тока до 1 мА/см и более.

• 3    Анализ рабочих характеристик однородных форм объемного и поверхностного разрядов указывает на необходимость исследования дополнительных механизмов предыонизации, связанных с процессами инжекции электронов с рабочей поверхности ножевых электродов, динамикой их переноса в ловушках диэлектрического слоя, а также выхода из них.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 12-02-00992-а.