Электрополевой механизм формирования тонкой плазменной струи в открытом атмосферном разряде | Изв. вузов. Физика. 2019. № 11. DOI: 10.17223/00213411/62/11/55

Электрополевой механизм формирования тонкой плазменной струи в открытом атмосферном разряде

Проведены экспериментальные и теоретические исследования новой формы горения импульсно-периодического разряда в форме тонкой плазменной струи - апокампа. Показано, что для устойчивого формирования апокампа необходимо присутствие небольшого внешнего электрического поля, которое усиливается вблизи головки растущего стримера за счет хорошей проводимости плазменного следа. Экспериментально показано, что формирование апокампа инициируется внешним электрическим полем напряженностью ~ 1 кВ/см.

Thin plasma jet formation in open atmospheric discharge by electro-field mechanism.pdf Введение Впервые апокампический разряд наблюдался в 2016 г. [1, 2]. Он представляет собой узкую светящуюся струю, отходящую от места изгиба плазменного канала высоковольтного частотно-импульсного разряда. Название происходит от греческого από «от» и καμπη «изгиб». Конвекция воздуха оказывала лишь слабое влияние на форму плазменной струи. Дальнейшее изучение этого явления показало, что апокамп представляет собой не непрерывно горящую струю плазмы, а является частотно-импульсным наложением быстро движущихся «плазменных пуль». Поэтому было выдвинуто предположение о стримерной природе апокампа [3, 4] как последовательности коротких стримерных разрядов, распространяющихся вдоль протяженной области ионизованного газа, сохраняющейся от импульса к импульсу. В процессе специальных исследований были найдены необходимые условия существования такого вида разряда. Во-первых, требовалось обязательное подключение одного из электродов к земле через емкостную нагрузку, то есть нахождение его под плавающим потенциалом. На второй электрод при этом подается импульсное напряжение положительной полярности с амплитудой 8-13 кВ, частота следования импульсов 16-96 кГц. Если второй электрод был накоротко заземлен, то явление апокампа не наблюдается. Вторым обязательным условием роста апокампа является изгиб плазменного канала между электродами. Это достигается либо исходным расположением электродов под некоторым углом друг к другу (обычно это 120-140), либо внесением искусственной диэлектрической преграды в уже сформировавшийся разрядный канал. В-третьих, заметное влияние на образование апокампа оказывал химический состав газовой среды. Так, в атомарных газах апокамп практически не появляется, а если его зачатки и имели место, то они были обусловлены небольшими примесями молекулярных компонент. А вот присутствие электроотрицательных примесей (кислорода, галогеноносителей) обеспечивало устойчивое формирование апокампа. Надо отметить, что, как и любое трехмерное явление, апокамп очень сложно моделировать на теоретическом уровне [4]. Для получения тонкой струи приходилось вводить в теоретическую модель или инициирующую плазменную структуру, и/или неоднородный профиль разреженности газа. И только введение в модель сравнительно слабого среднего электрического поля позволило получить ярко выраженную самосогласованную расчетную картину явления апокампа. Необходимость присутствия электрического поля было подтверждено прямым экспериментом. Описание эксперимента излагается в этой работе. Экспериментальные исследования Блок-схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Между двумя острийными электродами из нержавеющей стали радиусом 2 мм с углом при вершине 150 и радиусом скругления 70 мкм, ориентированными под углом 140 друг к другу, и зазором d = 6.3 мм зажигался высоковольтный импульсный разряд в воздухе. Для этого на один из электродов подавались импульсы напряжения положительной полярности амплитудой от 6 до 8 кВ с частотой 54.6 кГц. Над электродами помещался подвижный заземленный электрод в форме диска диаметром 3 или 10 см. Рис. 1. Блок-схема эксперимента (а) и фотография апокампического разряда (б): 1 - изогнутый канал разряда; 2, 3 - острийные электроды; 4 - высоковольтный источник напряжения; 5 - апокамп; 6 - вывод сигнала напряжения; 7 - вывод токового сигнала с шунта; 8 - перемещающийся заземленный дисковый электрод, С = 3.3 пФ, R = 1 Ом Для регистрации свечения использовался фотоаппарат Сanon PowerShot SX60 HS в режиме серийной покадровой съёмки с частотой 6 кадр/c либо фотоаппарат Nikon D610 с объективом F50 мм, 1:1.4 для статической съемки. Как видно на рис. 1, б, заземленный дисковый электрод находится на значительном удалении от плазменного канала и электродов. Рис. 2. Зависимость максимального расстояния между диском и каналом разряда, при котором формируется и поддерживается устойчивое горение апокампа, от амплитуды импульсного напряжения на высоковольтном электроде Была проведена серия измерений с целью определить максимальное расстояние h от заземленного электрода до острийных электродов, при котором еще образуется ярко выраженный апокамп. Результаты измерений приведены на рис. 2. Погрешность измерения расстояния была не хуже 2 мм, а амплитуды напряжения не хуже 300 В. Разброс экспериментальных точек на рис. 2 обусловлен также внутренней неустойчивостью самого явления зажигания апокампа вблизи пороговых условий. При амплитуде напряжения ниже 6 кВ апокамп не образуется ни при каком приближении диска, а при амплитуде выше 8 кВ апокамп появляется даже в отсутствие заземленного диска. В последнем случае роль заземленного электрода играют, по-видимому, более удаленные предметы или потенциал открытого пространства. Видно, что влияние диска зависит не только от расстояния h, но и от поперечного размера заземленного электрода. Это указывает на то, что для инициации апокампа важна не только абсолютная величина аксиального электрического поля, но и его интегральное пространственное распределение. В нашем эксперименте минимальная величина средней напряженности поля, при которой удалось инициировать апокамп, была на уровне ~ 500 В/см (7300 В/14.5 см). Пороговая напряженность оказалась почти на два порядка ниже статического пробивного напряжения воздуха (~ 32 кВ/см). Можно ожидать, что при «самостоятельном» зажигании апокампа (амплитуда напряжения выше 8 кВ) в условиях естественного окружения напряженность внешнего поля будет иметь близкое к этому значение. Максимальная величина пороговой напряженности ~ 1700 В/см (6200 В/3.6 см) наблюдается при минимальной (пороговой) амплитуде напряжения ~ 6500 В, что тоже более чем на порядок ниже статической пробивной напряженности. Такая же геометрия разрядного промежутка была смоделирована теоретически применительно к двумерной (плоской) задаче, что позволило нам получить подробную информацию о механизме формирования апокампа. Теоретическое моделирование Построение модели апокампического разряда, включающей все этапы формирования отростка, основано на двухмоментной нестационарной дрейфово-диффузионной модели плазмы. Она была реализована на базе модуля Plasma в вычислительной среде COMSOL Multiphysics 5.2a [5, 6]. Рабочим газом был выбран кислород атмосферного давления, учитывались реакции ударной ионизации и диссоциации молекулы, электронного прилипания и ион-ионной рекомбинации. Все сечения столкновений и скорости реакции взяты из [7]. Моделировалась двухмерная геометрия, в которой круглые электроды были замещены электродами в виде тонких протяженных лезвий с параллельными кромками на расстоянии 8 мм. На один из электродов подавался трапециевидный импульс напряжения амплитудой 15 кВ и длительностью по основанию 2.5 мкс. Второй электрод был подключен через емкость 3.3 пФ к «земле». В плоской геометрии коэффициент усиления поля вблизи острых кромок заметно ниже, чем в трехмерной геометрии, поэтому амплитуда импульсов напряжения для расчета была взята в 2 раза больше, чем в экспериментах. В целом, теоретическое моделирование полностью подтвердило наблюдаемые в экспериментах закономерности. Так, в отсутствие удаленного заземленного электрода апокамп в расчете не формируется при любой продолжительности времени горения канала разряда. Однако внесение в модель нулевого потенциала на границе расчетной области, который обеспечил появление направленного вверх электрического поля с напряженностью ~ 2.5 кВ/см, привел к быстрому росту апокампа. Расчет показывает, что электрическое поле внутри струи апокампа из-за высокой электропроводности плазмы близко к нулю, поэтому процесс формирования апокампа связан с вынесением высокого потенциала на вершину растущего стримера. При наличии внешнего сравнительно слабого внешнего поля и хорошо проводящего плазменного узкого лезвия на вершине поле достигает напряженности ~ 20 кВ/см. Такой напряженности вполне достаточно для интенсивной ударной ионизации газа свободными электронами и быстрого продвижения стримера. На рис. 3 показаны пространственные распределения модуля напряженности поля, ионов и свободных электронов в один и тот же момент времени развития стримера. За счет быстрого прилипания свободных электронов к молекулам кислорода их концентрация велика только там, где они рождаются, то есть на вершине стримера (рис. 3, в). Фактически так образуется «плазменная пуля», наблюдаемая при скоростной съемке [3]. Расчетная скорость движения головки стримера 25 км/с обеспечивает рост длины апокампа 4 см за время 1.6 мкс. а б в Рис. 3. Расчетные распределения модуля напряженности электрического поля (а), концентрации ионов (б) и свободных электронов (в) в момент времени 1.2 мкс (темнее тон - выше величина) Заключение В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований было показано, что одну из ключевых ролей в механизме формирования апокампа играет внешнее электрическое макроскопическое поле. Оно многократно усиливается на вершине хорошо проводящего плазменного следа бегущего стримера, обеспечивает быструю ионизацию газа и продвижение стримера на большую длину. Наложение этой картины в частотно-импульсном режиме горения разряда и образует струю апокампа.

Ключевые слова

апокамп, импульсный высоковольтный разряд, стример, плазменная струя, apokamp, high-voltage pulsed discharge, streamer, plasma jet

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Козырев Андрей ВладимировичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.ф.-м.н., профессор, зав. лабораторией ИСЭ СО РАНkozyrev@to.hcei.tsc.ru
Кожевников Василий ЮрьевичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., ст. науч. сотр. ИСЭ СО РАНvasily.y.kozhevnikov@ieee.org
Коковин Александр ОлеговичИнститут сильноточной электроники СО РАНинженер, магистрант ИСЭ СО РАНalexander.kokovin.desch@gmail.com
Панарин Виктор АлександровичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., инженер ИСЭ СО РАНpanarin@yandex.ru
Семенюк Наталья СтепановнаИнститут сильноточной электроники СО РАНмл. науч. сотр. ИСЭ СО РАНviliiskoeozero@yandex.ru
Ситников Алексей ГеннадьевичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., науч. сотр. ИСЭ СО РАНalex@to.hcei.tsc.ru
Всего: 6

Ссылки

Соснин Э.А., Скакун В.С., Панарин В.А. и др. // Письма в ЖЭТФ. - 2016. - Т. 103. - Вып. 12. - C. 857-860.
Скакун В.С., Панарин В.А., Печеницин Д.С. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2016. - Т. 59. - № 5. - C. 92-95.
Sosnin E.A., Panarin V.A., Skakun V.S., et al. // Eur. Phys. J. D. - 2017. - V. 71. - No. 2. - P. 25.
Соснин Э.А., Найдис Г.В., Тарасенко В.Ф. и др. // ЖЭТФ. - 2017. - Т. 125. - Вып. 5(11). - C. 1081-1087.
Кожевников В.Ю., Козырев А.В. // Изв. вузов. Физика. - 2007. - Т. 50. - № 8. - С. 37-41.
Kozyrev A.V., Kozhevnikov V.Y., Semeniuk N.S., and Zyulkova L.A. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2015. - V. 43. - No. 8. - P. 2294-2298.
He J. and Zhang Y.T. // Plasma Processes and Polymers. - 2012. - V. 9. - No. 9.
 Электрополевой механизм формирования тонкой плазменной струи в открытом атмосферном разряде | Изв. вузов. Физика. 2019. № 11. DOI: 10.17223/00213411/62/11/55

Электрополевой механизм формирования тонкой плазменной струи в открытом атмосферном разряде | Изв. вузов. Физика. 2019. № 11. DOI: 10.17223/00213411/62/11/55