Power supply for obtainig low-temperature plasma jets.pdf Введение В последнее время постоянно открываются новые перспективы применения плазмы и, в частности, плазменных струй как в биологии и медицине [1-3], так и в химии [4, 5], технике, машиностроении [6, 7] и т.д. Значимые результаты получены при использовании плазменных струй, например, в системах поддержания горения [8-10] или в технологических процессах для обработки или модификации поверхностей, нанесения тонких пленок, покрытий [2, 5, 11]. Это приводит к росту внимания к генераторам плазменных струй, в особенности функционирующих на основе разрядов атмосферного давления. Прежде всего, это объясняется относительной дешевизной, простотой конструкции или технологическими преимуществами при использовании атмосферного воздуха в качестве плазмообразующего газа. Система для генерации плазменной струи на основе разряда в потоке газа, в самом общем случае, содержит специализированный источник питания, узел подачи газа и газоразрядное устройство (плазмотрон), конфигурация электродов которого подразумевает прохождение потока газа через область плазмы электрического разряда. Наиболее часто применяются: дуговой, СВЧ, барьерный и тлеющий разряды. В данной работе рассматривается система для получения плазменной струи при атмосферном давлении в нестационарном слаботочном плазмотроне, функционирующем на основе тлеющего разряда в потоке воздуха [12-16]. Специализированный источник питания обеспечивает инициацию и поддержание горения тлеющего разряда в плазмотроне при среднем токе до 0.15 А. В подавляющем большинстве исследований для зажигания и поддержания тлеющего разряда в потоке газа используется схема питания, представляющая собой высоковольтный источник постоянного напряжения с ограничением выходного тока балластным сопротивлением [2, 12-16]. Такая схема получила широкое распространение в лабораторных установках из-за простоты реализации и удобства интерпретации результатов, но имеет ряд недостатков, ограничивающих ее применение в составе системы питания плазмотрона. Среди них можно отметить относительно низкий коэффициент полезного действия и неудовлетворительные массогабаритные показатели устройства. Целью работы является разработка и исследование специализированного источника питания, функционирующего в составе системы для генерации плазменных струй, получаемых в нестационарном слаботочном плазмотроне на основе тлеющего разряда атмосферного давления. В отличие от схемы питания плазмотрона с токоограничивающим (балластным) сопротивлением, в предлагаемой схеме выходная мощность и амплитуда тока разряда ограничиваются за счёт суммарного импеданса балластных дросселей и балластных резисторов. Поскольку источник питания с газоразрядной нагрузкой образуют самосогласованную систему, режимы работы источника питания исследуются совместно с рассмотрением физических явлений в плазмотроне. Экспериментальная установка и методы измерений Упрощенная схема исследуемой системы для получения плазменных струй на основе тлеющего разряда в потоке газа приведена на рис. 1. Плазмотрон имеет коаксиальную конструкцию электродной системы, внутренний потенциальный электрод 1 является катодом. Анод 2 является также соплом плазмотрона. Для подачи газа используется баллон с осушенным сжатым воздухом, расход газа измеряется с помощью ротаметра. Поток газа вводится в газоразрядный промежуток плазмотрона с завихрением. Рис. 1. Упрощенная схема системы для получения плазменных струй на основе тлеющего разряда в потоке газа: 1 - катод плазмотрона (медь); 2 - анод плазмотрона (нержавеющая сталь); 3 и 4 - положения положительного столба тлеющего разряда в различные моменты времени; Тр - повышающий трансформатор (ntr = 10). Напряжение V0 = 0-250 В, частота питающего напряжения 50 Гц, r1 = = 5 Ом, L1 = 135 мГн, С1 = C2 = 235 нФ, ёмкость кабеля С = 200 пФ, R2 ≤ 42 кОм, L2 = 100 мкГн. Шунт RS = 1 Ом, осциллограф Tektronix TDS-1012B и высоковольтный пробник Tektronix P6015A используются для регистрации тока в разрядном контуре i(t) и напряжения на электродах плазмотрона V(t). Быстродействующая CCD-камера Sensicam применяется для фотографирования свечения столба разряда и плазменной струи на выходе из сопла плазмотрона Схема питания плазмотрона работает следующим образом. При включении источника питания в сеть переменное напряжение V0 подается на первичную обмотку повышающего трансформатора Tp через индуктивно-резистивный балласт R1 и L1. Суммарный импеданс индуктивно-резистивного балласта ограничивает максимальный ток в первичной цепи трансформатора и потребляемую от сети мощность, благодаря чему схема имеет устойчивость к короткому замыканию в нагрузке. Ток во вторичной цепи трансформатора протекает через выпрямительные диоды VD1 и VD2, обеспечивая ток нагрузки и заряд емкостей фильтра C1 и C2. Выходной ток выпрямителя замыкается на электроды плазмотрона через высоковольтный индуктивно-резистивный балласт L2 и R2 и коаксиальный кабель. Индуктивно-резистивный балласт L2 и R2 ограничивает как ток во вторичной цепи трансформатора, так и амплитуду тока в разрядном контуре. Кроме того, индуктивность L2 играет роль помехоподавляющего фильтра и позволяет снизить броски тока при импульсных пробоях в газоразрядном промежутке. В отсутствие существенной нагрузки напряжение на выходе выпрямителя достигает, приблизительно, 6 кВ, чего заведомо достаточно для инициации первого пробоя в электродной системе плазмотрона. Однако, в отличие от схемы с балластным сопротивлением, напряжение на выходе выпрямителя в данном случае зависит от тока нагрузки, что обусловлено возникновением дополнительного падения напряжения на индуктивно-резистивном балласте R1 и L1 при увеличении тока в первичной цепи трансформатора. Таким образом, при переходе в режим поддержания разряда (или же в случае короткого замыкания в нагрузке) напряжение на выходе выпрямителя становится несколько ниже, что позволяет снизить потери мощности на балластном сопротивлении R2. Кроме того, при поддержании разряда постоянная времени цепи, образованной элементами C1, C2, R2 и сопротивлением нагрузки, получается меньше периода колебания входного напряжения выпрямителя T = 10 мс. Таким образом, выходной ток источника питания имеет пульсирующий характер, причем коэффициент пульсаций тока зависит от суммарного электрического сопротивления нагрузки и в некоторых случаях может превышать 50 %. Следует также отметить общую особенность, характерную для схем питания разряда, содержащих в газоразрядном контуре элемент, выполняющий роль балласта. Электрические параметры нагрузки (разряда) зависят от режима ввода энергии в разряд. С другой стороны, выходные параметры источника питания с балластом частично определяются самой нагрузкой. Таким образом, источник питания с газоразрядной нагрузкой образуют самосогласованную систему. Из этого следует, что рассмотрение режимов работы источника питания необходимо проводить совместно с анализом физических процессов в газоразрядной системе. Поэтому методика исследования подразумевает интерпретацию экспериментальных данных, полученных в ходе регистрации тока в разрядном контуре i(t) и напряжения на газоразрядном промежутке V(t), совместно с фотографированием свечения разряда и плазменной струи на выходе из сопла плазмотрона. Для дальнейшего рассмотрения принципа работы исследуемой схемы питания на рис. 2, а приведены осциллограммы тока разряда и напряжения на электродах плазмотрона, соответствующие моменту первого пробоя в электродной системе плазмотрона и последующему выходу схемы в режим поддержания разряда в потоке газа. На рис. 2, б приведена интегральная фотография свечения положительного столба тлеющего разряда и плазменной струи на выходе из сопла плазмотрона. Рис. 2. Осциллограммы тока и напряжения горения разряда в плазмотроне при первом пробое (а) и фотография плазменной струи на выходе из сопла плазмотрона (б). Длина сопла плазмотрона l = = 5 мм, диаметр выходного отверстия D = 5.5 мм, расход воздуха  = 0.1 л/с. Входное напряжение V0 подается в момент времени t0. Нулевые линии на осциллограмме показаны горизонтальными стрелками В момент времени t1, при зарядке суммарной емкости кабеля и емкости газоразрядного промежутка до напряжения V(t1) = 3400 В, происходит первый пробой промежутка по кратчайшему расстоянию d  0.7 мм между электродами плазмотрона, сопровождающийся формированием канала искрового разряда с последующим переходом в разряд типа тлеющего. Характерно, что при постоянном токе и давлении, порядка атмосферного, положительный столб разряда поддерживается в контрагированном режиме. Напряжение горения тлеющего разряда определяется суммой падения напряжения в области прикатодного падения потенциала VNG = 300 В ≈ const и падения напряжения на положительном столбе разряда VPC = E(i) lPC, где E(i) - продольная напряженность электрического поля в положительном столбе разряда, lPC - длина положительного столба разряда [12]. Горение разряда в потоке газа может сопровождаться различными нестационарными процессами, такими, как спонтанные переходы в режим с катодным пятном или переходы в искровой или незавершенный искровой режим [13-16]. До момента времени t2 канал разряда перемещается под действием потока газа в узком зазоре между катодом и анодом плазмотрона. При этом положительный столб разряда имеет малую длину, вследствие чего суммарное напряжение горения V(t) не превышает 500 В. В момент времени t2 канал тлеющего разряда выносится в сопло плазмотрона, длина положительного столба резко увеличивается, что сопровождается скачком напряжения на газоразрядном промежутке. Под действием потока газа место анодной привязки столба разряда перемещается по внутренней поверхности сопла плазмотрона, в то время как область отрицательного свечения разряда привязывается к торцевой части катода 1. Это приводит к тому, что столб разряда удлиняется, проходя положение, схематично показанное на рис. 1 как позиция 3. При этом ток в разрядном контуре спадает ввиду роста суммарного сопротивления в цепи разрядного контура. К моменту времени t3 столб тлеющего разряда приближается к положению 4 (рис. 1), и на выходе из сопла плазмотрона формируется плазменная струя (рис. 2, б). Из осциллограммы, приведенной на рис. 2, а, видно, что длительность процесса заряда фильтрующих конденсаторов на выходе выпрямителя не превышает 5 мс, суммарное время запуска системы и время установления разряда в плазмотроне не превышает 30 мс. Далее источник питания поддерживает разряд в плазмотроне при различных режимах работы системы для получения плазменных струй. Результаты экспериментов и их обсуждение На рис. 3, а показан детальный вид осциллограмм тока i(t) и напряжения горения разряда V(t), на рис. 3, б приведена фотография свечения положительного столба тлеющего разряда. При R2 = = 35.5 кОм и расходе воздуха  = 0.15 л/с ток тлеющего разряда пульсирует в диапазоне от 40 до 140 мА с характерной частотой выпрямленного сетевого напряжения 100 Гц. При относительно малой величине расхода газа завихрение струи несущественно, и поток газа способствует стабилизации положения канала разряда внутри сопла плазмотрона. На фотографиях, приведенных на рис. 2, б и 3, б, видно, что место анодной привязки разряда перемещается на торец сопла плазмотрона и, далее, положительный столб занимает устойчивое положение вблизи позиции 4, показанной на рис. 1. В течение длительности экспозиции texp наблюдаются флуктуации длины положительного столба и его положения в пространстве, приводящие к нарастанию напряжения на газоразрядном промежутке и формированию незавершенных искровых пробоев. На осциллограмме это отражается в виде пилообразных перепадов напряжения горения разряда амплитудой 500-700 В, следующих с частотой повторения до приблизительно 3 кГц. Данный режим работы характеризуется высокой частотой переходов в искровой или незавершенный искровой режимы. Рис. 3. Осциллограммы тока и напряжения горения разряда в плазмотроне (а) и фотография свечения положительного столба тлеющего разряда на выходе из сопла плазмотрона (б) при расходе воздуха Ф = 0.15 л/с. Нулевые линии на осциллограмме показаны горизонтальными стрелками. Длительность экспозиции CCD-камеры texp = 1 мс Минимальная длина положительного столба разряда практически определяется длиной сопла плазмотрона, а электрические параметры разряда самосогласованно меняются при пульсациях тока в разрядном контуре. Свойства тлеющего разряда таковы, что при снижении тока возрастает напряженность поля в положительном столбе, обеспечивая величину параметра E/p, необходимую для самоподдержания плазмы столба разряда [12, 13]. Иными словами, можно сказать, что тлеющий разряд в плазмотроне имеет спадающую вольт-амперную характеристику. Из осциллограммы (рис. 3, а) видно, что уменьшению среднего тока разряда от 110 до 50 мА соответствует нарастание величины усредненного напряжения горения от 1.1 кВ до приблизительно 1.5 кВ. Средняя мощность, вводимая в газоразрядный промежуток, составляет около 90 Вт. Важно отметить, что за счёт ограничения входного тока за счёт импеданса балластов L1 и R1 напряжение на выходе выпрямителя пульсирует в диапазоне приблизительно от 3.3 до 5 кВ. Это значительно меньше напряжения холостого хода источника питания, достигающего 6 кВ и более. Таким образом, в сравнении с классической схемой питания с резистивным балластом, потери мощности на балласте R2 оказываются существенно ниже. В некоторых случаях может быть необходима электрическая экранировка столба разряда, что достигается за счёт модификации конструкции анода плазмотрона. Например, при размещении на выходе из сопла дополнительной сетки, контактирующей с соплом, место анодной привязки разряда перемещается по ней и размещается в ее центре. Такое решение позволяет получить стабильное поддержание разряда в плазмотроне при больших скоростях потока газа (до Ф = 1 л/с и выше). Возникновению устойчивой анодной привязки канала разряда способствует также понижение величины расхода газа до Ф = 0.1 л/с и менее. Вероятно, это происходит в результате локального прогрева областей привязки столба разряда на электродах плазмотрона. Таким образом, положение разрядного канала оказывается стабилизированным за счёт как наличия устойчивых точек привязки на катоде и аноде, так и действия обтекающего потока газа. В этом случае длина положительного столба разряда приблизительно соответствует длине сопла плазмотрона и практически полностью определяется геометрией электродной системы. Осциллограммы тока i(t) и напряжения горения разряда V(t), соответствующие случаю поддержания разряда с привязкой на катоде и аноде, приведены на рис. 4, а. Рис. 4. Общий вид осциллограммы тока и напряжения на электродах плазмотрона в режиме поддержания разряда с анодной привязкой (а) и осциллограмма, соответствующая переходу в режим горения разряда с катодным пятном (б). Расход воздуха Ф = 0.1 л/с. Нулевые линии на осциллограмме показаны горизонтальными стрелками Характерно, что в таком режиме поддержания разряда не происходит инициации новых пробоев в газоразрядном промежутке, осциллограммы тока и напряжения имеют практически гладкую форму. Однако при малых расходах газа локальный перегрев катода в области привязки столба разряда приводит к возникновению различного рода неустойчивостей [14, 15], и возможна ситуация, когда большую часть времени поддерживается разряд с катодным пятном. На осциллограмме рис. 4, б наблюдается скачкообразный перепад напряжения горения разряда, который длится на протяжении короткого интервала времени Δt. Амплитуда скачка напряжения соответствует разности величин падения потенциала в области отрицательного свечения VNG = 300 В и падения потенциала в прикатодной области тлеющего разряда с катодным пятном, которое не превышает, как правило, несколько десятков вольт. В конце интервала времени Δt вновь устанавливается разряд типа тлеющего. Затем, в момент времени t1, на торцевой части катода плазмотрона опять формируется катодное пятно, и далее разряд длительное время может поддерживаться в таком режиме. Характерно, что процесс возникновения катодных пятен возможен при относительно низком уровне среднего тока разряда до 0.15 А. Изменение величины расхода газа до Ф = 0.3 л/с приводит к смене режима поддержания разряда в плазмотроне. На рис. 5, а приведены осциллограммы тока и напряжения горения разряда, на рис. 5, б - соответствующая фотография свечения положительного столба тлеющего разряда внутри сопла плазмотрона. Рис. 5. Осциллограммы тока и напряжения горения разряда в плазмотроне (а) и фотография свечения положительного столба тлеющего разряда внутри сопла плазмотрона (б) при расходе воздуха  = = 0.3 л/с. Диаметр катода плазмотрона - 10 мм. Длительность экспозиции CCD-камеры texp = 3 мс. Нулевые линии на осциллограмме показаны горизонтальными стрелками В момент времени t1 напряжение на катоде плазмотрона достигает величины V(t1) = 2100 В и происходит очередной переход из тлеющего разряда в искру. На осциллограмме наблюдается резкий спад напряжения на газоразрядном промежутке, соответствующий быстрому разряду ёмкости кабеля через сопротивление искрового канала, после чего формируется новый канал тлеющего разряда. Поскольку новый канал разряда имеет значительно меньшую длину, чем до повторного пробоя, сопротивление нагрузки уменьшается скачком и на осциллограмме наблюдается соответствующий перепад тока в разрядном контуре. Далее, аналогично случаю, рассмотренному при анализе рис. 3, положительный столб разряда вновь увлекается потоком газа, удлиняется и размещается внутри сопла плазмотрона, стремясь к позиции 4. На рис. 5, б видно, что в течение длительности экспозиции texp место привязки разряда находится на торце катода, в то время как место анодной привязки разряда смещается по внутренней поверхности сопла плазмотрона под действием завихренного потока газа. Положение столба разряда приближается к позиции 3. При этом длина положительного столба увеличивается, что приводит к росту величины суммарного сопротивления в разрядном контуре и соответственно спаду тока через газоразрядный промежуток. Напряжение горения V(t) возрастает до момента времени t2, пока вновь не произойдет повторный пробой между электродами плазмотрона. Кроме того, поскольку выходной ток источника питания имеет пульсирующий характер, при снижении величины среднего тока разряда наблюдается соответствующий рост среднего напряжения горения, который дополнительно провоцирует очередной пробой в газоразрядном промежутке с последующим формированием нового разрядного канала. Таким образом, одна из особенностей функционирования системы для получения плазменных струй в этом режиме состоит в том, что переходы в искровую стадию с частотой 100 Гц инициируются источником питания за счёт наличия пульсаций выходного тока. Другая особенность состоит в том, что при изменении длины положительного столба самосогласованно изменяются величины тока и напряжение в разрядном контуре и, следовательно, параметры разряда и плазмы струи. В данном случае источник питания обеспечивает режим работы плазмотрона с самоустанавливающейся длиной положительного столба. Таким образом, показано, что принцип индуктивно-резистивного ограничения тока разряда приемлем при реализации схемы питания плазмотрона. Использование индуктивного балласта (дросселя) в цепи переменного тока позволяет снизить потери мощности на балластном резисторе и повысить коэффициент полезного действия системы питания. Номиналы элементов в схеме могут быть выбраны так, чтобы обеспечить пульсирующий ток в разрядном контуре, при этом появляются характерные особенности при протекании газоразрядных процессов в плазмотроне. Источник питания обеспечивает стабильное поддержание разряда в потоке газа при изменении внешних условий (например, величины расхода плазмообразующего газа или конструкции электродной системы плазмотрона) в широком диапазоне без необходимости принятия мер по дополнительной настройке или согласованию системы питания с газоразрядной нагрузкой.

Скачать электронную версию публикации