Change in mechanism of corona discharge formation in atmospheric air with a negative tip.pdf Коронный разряд является спутником высокого напряжения, подаваемого на электроды или уединенные острия, которые имеют малый радиус кривизны [1, 2]. При достижении критической величины приведенного электрического поля Eкр/N (E/N U/Nd, где U - напряжение на локальной области у острия, N - концентрация молекул газа, d - длина области с усиленным электрическим полем) в локальной области вблизи вершины острия начинается лавинное размножение заряженных частиц, сопровождающееся возбуждением молекул и свечением газа, а в цепи разряда начинает протекать ток как в импульсном, так и стационарном режиме [1-12]. Режим инициирования и поддержания коронного разряда, а также его возможный последующий переход в тлеющий или искровой разряды, зависят от нескольких факторов: полярности электрода с малым радиусом кривизны (острия), уровня и скорости роста подаваемого напряжения, давления и сорта газа. Механизм развития коронного разряда в работах [1-4] связывается с образованием стримеров. При отрицательной полярности острия формируются хорошо известные импульсы Тричела [10], появление которых объясняется как развитием большого числа лавин [11], так и формированием стримера [1-7]. Причем в работах [3, 4] предполагалось, что импульсы Тричела связаны с развитием катодонаправленного стримера около острия. В нашей работе [11] показано, что при медленной скорости нарастания напряжения на промежутке острие - плоскость ( 0.16 В/нс) механизм их генерации в воздухе обусловлен быстрым ростом концентрации электронов на малых расстояниях от вершины острия (десятки микрометров) за счет развития большого числа лавин. Спад тока короны в импульсах Тричела обусловлен уходом электронов в область пониженного электрического поля, их прилипанием к молекулам кислорода и экранировкой сильного поля зарядом отрицательных ионов [1-11]. При высоких скоростях роста напряжения на промежутке формируются стримеры шаровой формы, которые не успевают перемкнуть весь промежуток, и в цепи регистрируется лишь единичный импульс тока, который уже нельзя называть импульсом Тричела. Малая пространственная область и короткие длительности газоразрядных процессов создают очень большие сложности для экспериментальной диагностики быстропротекающих процессов, поэтому использование математического моделирования является обязательным для выявления тонких особенностей развития коронного разряда. Соответственно, целью данной работы является математическое моделирование условий перехода от режима коронного разряда с импульсами Тричела к стримерному (одноимпульсному) режиму пробоя промежутка острие - плоскость в воздухе атмосферного давления при отрицательной полярности острия. Моделирование процессов при инициировании коронного разряда осуществлялось с помощью теоретической модели [12], описывающей коронный разряд в искусственном воздухе (N2:O2 = 4:1). Теоретическая модель включала уравнения Пуассона для расчета электрического поля и Кирхгофа для электрической цепи разряда, а также систему уравнений для диффузионно-дрейфовой кинетики плазменных частиц. Были учтены 19 основных плазмохимических реакций (реакции ионизации, электрон- и ион-ионной рекомбинации, диссоциации молекул, электронного прилипания и отлипания, ион-ионной конверсии и перезарядки), в которых участвуют 9 сортов нейтральных и заряженных частиц (е, O, N, N2, O2, N2+, O2+, O4+, O2-). Для представленных ниже расчетов модель [12] была нами существенно улучшена в плане оптимизации вычислительных алгоритмов, что позволило корректно считать электродинамические и плазмохимические процессы с субпикосекундным временным разрешением. Результаты расчетов для промежутка острие - плоскость с межэлектродным зазором 8.5 мм и радиусом кривизны острия 75 мкм приведены на рис. 1 и 2. Напряжение источника 30 кВ включалось в цепь последовательно соединенного балластного сопротивления R и разрядного промежутка, параллельно которому была включена емкость 100 пФ. Балластное сопротивление контролировало уровень тока разряда и режим его формирования. В работе [11] описан слаботочный режим с R = 18 МОм, а здесь за счет уменьшения R до 1 МОм и 100 кОм скорость роста напряжения на промежутке была 0.3 и 3.0 В/нс соответственно. Рис. 1, а демонстрирует режим разряда, при котором амплитуда первого импульса Тричела в несколько раз больше, чем второго. Запаздывание его появления по сравнению с данными слаботочного режима из работы [11] уменьшилось c ~ 70 до ~ 4 мкс, а амплитуда импульса тока выросла в 4 раза. Протекание тока Рис. 1. Временные профили напряжения на диоде и тока разряда при скорости роста напряжения 0.3 В/нс (а), на которых точками отмечены моменты времени б, в, г, для которых на соответствующих графиках (б), (в), (г) показаны распределения концентраций заряженных частиц вдоль оси промежутка Рис. 2. Временные профили напряжения на диоде и тока разряда при скорости роста напряжения 3.0 В/нс (а), где точками отмечены моменты времени б, в, г, для которых на соответствующих графиках (б), (в), (г) показаны распределения концентраций заряженных частиц вдоль оси промежутка не отражается на графике нарастающего напряжения из-за малого переноса заряда за время импульса, так же, как и в [11]. Отличие от описанного в [11] слаботочного режима заключается в увеличении концентрации электронов перед стартом импульса до 1012 см-3, а также в максимуме тока до 6.5∙1013 см-3 (рис. 1, б). Кроме того, на зависимости концентрации электронов от длины промежутка появился второй максимум, как видно на рис. 1, в. К концу импульса тока, как видно на рис. 1, г, крутой спад концентрации электронов продвинулся на 3 мм от острия к аноду. Таким образом, увеличение скорости роста напряжения на промежутке до 0.3 В/нс привело к переходу от режима генерации параллельных лавин к образованию у острия анодонаправленного стримера. Дальнейшее увеличение в моделировании скорости напряжения на диоде до 3.0 В/нс (балластное сопротивление в расчете было снижено в 10 раз, с 1 МОм до 100 кОм) позволило зарегистрировать у отрицательного острия катодонаправленный стример. Увеличение скорости роста напряжения на диоде привело к сокращению времени запаздывания первого импульса до ~ 0.5 мкс. При этом временной профиль тока разряда сильно изменился, на нем появился очень короткий (субнаносекундный) положительный выброс тока, как это демонстрируется на рис. 2, а. Положительный импульс, как мы полагаем, свидетельствует о наличии катодонаправленного стримера. Это подтверждает сравнение рис. 2, б и в, где видно смещение максимума концентрации электронов к поверхности острия, и в частности, резкий рост концентрации электронов у поверхности катода от ~ 1015 до ~ 1017 см-3, а в локальном максимуме концентрация электронов достигла 4 1017 см-3. Далее, максимум концентрации электронов начинает перемещаться к плоскому аноду, а спад на концентрации электронов начинает компенсировать спад на суммарной кривой концентрации положительных ионов. Это свидетельствует о формировании анодонаправленного стримера к концу импульса тока. Полученный режим с двумя разнонаправленными стримерами реализовался при сокращении длительности фронта импульса напряжения. Он отличается от режима, предлагаемого в [3, 4], формированием двух разнонаправленных стримеров. Причем катодонаправленный стример имеет пикосекундную длительность и предшествует анодонаправленному. Таким образом, моделирование показало, что увеличение скорости роста напряжения и последующий рост тока коронного разряда резко изменяют механизм формирования плазмы у острия с лавинного на стримерный. Установлено, что при dU/dt 3 В/нс в коронном разряде с отрицательно заряженного острия могут формироваться два последовательных разнонаправленных стримера. При этом формирование первого (катодонаправленного) стримера приводит к генерации положительного выброса тока субнаносекундной длительности, а последующее продвижение границы плазменной области к аноду, сопровождающееся отрицательным выбросом тока, можно интерпретировать как анодонаправленный стример. Появление субнаносекундных импульсов тока будет обогащать спектр электромагнитных излучений короны в СВЧ-диапазоне вплоть до сотни ГГц, что может иметь большое значение в практике использования таких разрядов.

Скачать электронную версию публикации