About the pulse modes of the corona discharge.pdf Введение Коронный разряд является одним из разновидностей газового разряда и его применение можно часто встретить в электростатических фильтрах [1, 2], офисной электронике [3-5], медицине [6], его применяют для преобразования энергии [7], а также в электрогазодинамических устройствах автоматики [8] и т.д. Обычно коронный разряд можно наблюдать в условиях резко неоднородных электрических полей [2, 9-11], в которых достигается как высокая напряженность поля, выполняющая функцию локальной ионизации окружающей среды, так и быстрый спад напряженности поля с увеличением расстояния от места ионизации, что препятствует электрическому пробою газоразрядного промежутка. Исследованиям коронного разряда посвящено много экспериментальных и теоретических работ [12-23], из опубликованных в последние годы можно отметить [12, 14, 15, 23]. В известных работах встречаются различные режимы коронного разряда (стационарный [13], стримерный [14], стримерный с образованием у электрода лидеров [15, 16]). На наблюдаемый режим коронного разряда существенное влияние оказывают полярность коронирующего электрода и режим подаваемого напряжения (непрерывный, импульсный с различной длительностью фронта). Наиболее подробно коронный разряд изучен в воздухе атмосферного давления. В частности, показано, что на отрицательной полярности у острия коронный разряд возникает при меньших напряжениях, по сравнению с положительной [16]. Установлено, что при постоянном напряжении ток коронного разряда может состоять из отдельных импульсов, частота следования которых зависит от величины и полярности напряжения [13, 17, 18]. При использовании импульсов напряжения с фронтом 1 мкс и менее показано, что при положительном острие стример стартует с острия при более низких напряжениях [15]. В литературе встречается большое число публикаций по отрицательной (в частности, по импульсам Тричела [19]) и положительной короне, но основная их часть направлена на исследование вольт-амперных характеристик в различных условиях (см., например, [20]), на изучение процессов перехода коронного разряда в искровой [22] и на моделирование различных процессов в атомарных газах [23]. Однако данных о характеристиках коронного разряда при использовании одиночного острия с малым радиусом кривизны весьма мало. Цель данной работы - определение в воздухе атмосферного давления режимов тока и формы коронного разряда при использовании острия с малым радиусом кривизны. Экспериментальная аппаратура и методики Измерения были проведены при постоянном напряжении обеих полярностей различной величины. Схема экспериментальной установки в геометрии «острие - плоскость» приведена на рис. 1. Для локального усиления напряженности электрического поля в качестве высоковольтного электрода применялась тонкая игла длиной 5 см, диаметром 0.32 мм, радиусом скругления острия 40 мкм и углом у острия 9.5°. Коронный разряд зажигался как на отдельно стоящем острие (второй электрод был удален на большое расстояние), так и между двумя электродами (острийным 1 и плоским 2) с разрядным промежутком d от 1 до 4 см, или между двумя остриями. Плоский электрод размером 1616 см использовался для облегчения регистрации тока коронного разряда. В большинстве экспериментов он располагался на расстоянии 2 см от острия иглы. Напряжение положительной или отрицательной полярности (≤ 25 кВ) на острие подавалось от высоковольтных источников постоянного тока 5. С помощью осциллографа TDS 3034 (Tektronics, Inс.) регистрировали временны́е характеристики напряжения и тока разряда. Амплитуда напряжения определялась с помощью резистивного делителя напряжения с верхним плечом (R1 = 15 Мом) и нижним плечом (R2 = 15 кОм), а ток регистрировали шунтом (R3 = 1 кОм), который устанавливался последовательно с плоским электродом. Для ограничения тока разряда через промежуток последовательно с источником питания включалось сопротивление Rн = 14.4 МОм. Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: 1, 2 - электроды; 3 - спектрометр; 4 - оптоволокно; 5 - источник питания Исследования проводились в атмосферном воздухе (p ≈ 760 Торр). Регистрация спектров излучения разряда осуществлялась с помощью сборки, включающей в себя коллимирующую линзу с фокусным расстоянием 30 мм, оптоволокно с известным спектром пропускания и спектрометр HR2000+ES (Ocean Optics, Inc.) на основе многоканальной ПЗС-линейки Sony ILX511B (рабочий диапазон 200-1100 нм, спектральная полуширина аппаратной функции ~ 1.33 нм). Внешний вид разряда регистрировали фотокамерой Canon PowerShot SX 60 HS в ручном режиме с выдержкой 1/8 c и светочувствительностью (ISO) 2500. Результаты измерений и их обсуждение Форма коронного разряда и напряжение зажигания короны зависели от полярности острия. После порогового напряжения Uп на высоковольтном электроде 1 зажигалась корона, имеющая после зажигания шаровую форму в независимости от полярности острия. Процесс развития стримера с ростом напряжения положительной полярности вплоть до 15 кВ показан на рис. 2. При положительном напряжении и межэлектродном зазоре 2 см зажигание коронного разряда наблюдалось при Uп ≈ 5 кВ. У острия появлялось слабосветящееся облако, размер и интенсивность которого возрастали с увеличением напряжения. При U ≥ 9.8 кВ начинали формироваться цилиндрические стримеры, длина которых увеличивалась с ростом напряжения. В некоторых работах этот режим называют «режим стримерной короны» [13]. При напряжении на острие свыше 11 кВ одновременно с формирование цилиндрических стримеров регистрировался ток стационарной короны. Напряжение свыше 15 кВ приводило к формированию диффузного (тлеющего) разряда, переходящего затем в искровой. В данных экспериментах ток искрового разряда был ограничен сопротивлением Rн. Из рис. 2 видно, что с ростом напряжения длина цилиндрических стримеров увеличивается, и они достигают плоского электрода. В этом режиме с шунта регистрировались импульсы тока с амплитудой до 800 мкА. Данные импульсы обусловлены динамическим емкостным током, появляющимся при зарядке сжимающегося конденсатора между фронтом стримера и плоским электродом [24, 25]. Рис. 2. Режимы коронного разряда при разных напряжениях положительной полярности на острие. Конфигурация «острие - плоскость», d = 2 см На рис. 3 приведена временная форма импульсов тока цилиндрических стримеров, амплитуда тока и частота которых увеличивается с ростом напряжения на разрядном промежутке. Рис. 3. Осциллограммы импульсов тока коронного разряда при различных положительных напряжениях. Конфигурация «острие - плоскость», d = 3 см Кроме того, повышение напряжения влечет за собой увеличение диаметра стримерной короны, вследствие чего длительность фронта импульса тока сокращается, что объясняется ростом скорости стримера. Изменение межэлектродного зазора существенного влияния на форму импульсов тока не оказывало. Помимо изменения формы импульсов тока варьирование напряжения изменяло частоту их следования. Пример типичной осциллограммы, иллюстрирующей распространение положительных импульсов тока во времени, показан на рис. 4. Из-за того, что диффузный канал стримерной короны только касается плоского электрода, с которого производилась регистрация импульсов тока, а не замыкает разрядный промежуток полностью (в сравнении с искровым разрядом), наблюдаемые импульсы имеют непостоянное распределение во времени, что выражается в непрерывном изменении частоты их появления. Так, импульсы тока при напряжении ~12 кВ могут появляться с периодом от ~133 мкс (наиболее часто регистрируемый период для этих условий) до 220 мкс. Более подробные данные по периоду импульсов тока для положительной полярности при различных напряжениях показаны в табл. 1. При увеличении напряжения длина цилиндрического стримера сравнительно быстро увеличивается и сокращается временной интервал между появлением отдельных стримеров (8.8-10 кВ), затем стример перестает расти и начинает набирать интенсивность (10-11.5 кВ). В этом интервале напряжений частота импульсов нарастает медленнее. При напряжении выше 13-15 кВ разряд замыкается и переходит из коронного в диффузный, а затем и в импульсно-периодический искровой режим. Рис. 4. Осциллограммы импульсов тока разряда при положительной полярности острия. Конфигурация «острие - плоскость», d = 2 см Таблица 1 Амплитуды импульсов тока I и средние временные интервалы между ними τ для стримерной короны положительной полярности U, кВ 8.8 9.9 10.7 11.4 12.2 12.8 13 I, мкА 144 233 389 501 541 689 809 τ, мкс 222.8 184.7 176.2 162.1 136.3 135.1 133 В условиях эксперимента, начиная с Uп = 13 кВ стримерная корона проходит весь разрядный промежуток. Подобный режим развития разряда был зарегистрирован с помощью ICCD-камеры и осциллографа для наносекундных импульсов напряжения в [24, 25]. По длине промежутка d и длительности фронта импульса тока в предположении, что ток коронного разряда после замыкания промежутка цилиндрическим стримером уменьшается, была оценена средняя скорость стримера, которая составила 3107 см/с при напряжении 14 кВ и d = 3 см. Минимальное напряжение зажигания отрицательной короны Uп было меньше, чем положительной, и составило ~ 3.1 кВ при межэлектродном зазоре 2 см. Полученные результаты по измерениям пороговых напряжений зажигания короны согласуются с данными из работы [16]. Размеры области свечения короны шаровой формы при отрицательной полярности также увеличиваются с ростом напряжения. При одинаковом напряжении корона с острия отрицательной полярности имеет больший диаметр по сравнению с короной положительной полярности как на фотографиях, так и при визуальных наблюдениях. Однако в случае отрицательной полярности острия переход из коронного разряда шаровой формы в искровой разряд был быстрым, и с помощью фотоаппарата цилиндрические стримеры зарегистрировать не удалось. Особенностью шаровой короны отрицательной полярности является регистрация импульсно-периодических импульсов тока (импульсов Тричела [19]), следующих с высокой частотой в широком диапазоне напряжений. Осциллограммы таких импульсов показаны на рис. 5. Амплитуда импульсов тока разряда при отрицательной полярности с увеличением напряжения существенно не изменялась и составляла 5-6 мкА, но при этом сокращалась пауза между импульсами, как и в случае положительной полярности. Следует отметить, что длительность импульсов тока на полувысоте при отрицательном напряжении в среднем была около 180 нс в диапазоне напряжений -3.1…-12 кВ, а при напряжениях положительной полярности в диапазоне 11.2- 13.6 кВ эта величина составляла ~250 нс. Интервалы между импульсами для отрицательной полярности приведены в табл. 2. Если сравнить амплитуды импульсов тока разряда при различных полярностях и одинаковых напряжениях, то можно видеть, что при положительной полярности они на два порядка больше. Эту разницу можно объяснить тем, что на отрицательной полярности импульса напряжения появление импульсов тока связано с формированием шаровых стримеров, а на положительной с форми- Рис. 5. Осциллограммы импульсов тока разряда при отрицательной полярности электрода и d = 2 см Таблица 2 Интервалы между импульсами тока для отрицательной полярности U, кВ -3.1 -4.1 -5 -6 -7 -8.1 -9.2 -10.1 -11.1 -12 τ, мкс 35 33.5 14.08 6.73 4.04 6.56 3.56 2.9 2.79 2.1 рованием цилиндрических стримеров большей длины. Как мы уже отмечали, подробно динамический емкостной ток диффузного и коронного разряда был исследован в работах [24, 25] при длительности импульсов напряжения ~ 10 нс. Поскольку цилиндрический стример при положительной полярности продвигается к противоположному электроду на значительно бо́льшие расстояния, то величина емкости сжимающегося конденсатора, образованного фронтом стримера и плоским электродом, возрастает, соответственно увеличивается и ток разряда. Можно предположить, что и при положительной полярности острия вначале формируется шаровой стример, который затем переходит в стационарную корону шаровой формы, с которой при увеличении напряжения стартуют цилиндрические стримеры. Помимо экспериментов в конфигурации «острие - плоскость» были проведены опыты с двумя острийными электродами, на которые подавалось напряжение различной полярности. Установлено, что промежуточный режим с формированием цилиндрических стримеров из коронного разряда шаровой формы на положительном острие с помощью фотоаппарата не фиксировался. Это может быть связано с быстрым развитием пробоя в промежутке с двумя остриями при незначительном увеличении напряжения. Исследования спектров излучения коронного разряда подтвердили, что наибольшую интенсивность имеют полосы второй положительной системы азота в УФ-области спектра. Заключение В данной работе показано, что коронный разряд в воздухе атмосферного давления с иглы большой длины, имеющей малый радиус кривизны и малый диаметр, возникает при напряжениях в единицы киловольт и ее свечение имеет вначале шаровую форму. Эта форма при отрицательной полярности иглы сохраняется в широком диапазоне напряжений и сопровождается импульсами тока. При положительной полярности и напряжении свыше 9.8 кВ с шаровой области свечения начинают формироваться цилиндрические стримеры, которые сопровождаются импульсами тока с амплитудами, на два порядка большими, чем при отрицательной полярности и одинаковых напряжениях. Установлено, что при напряжениях отрицательной и положительной полярностей имеются импульсно-периодические режимы, при которых регистрируются импульсы тока разряда с длительностью на полувысоте ~ 180 и ~ 250 нс соответственно. Считаем, что регистрируемые с шунта импульсы обусловлены формированием стримеров, движение которых сопровождается динамическим емкостным током. Авторы выражают благодарность сотрудникам ЛОИ ИСЭ СО РАН И.Д. Костыре и В.А. Панарину за помощь в работе.

Скачать электронную версию публикации