Characterization of plasma jets formed by atmospheric-pressure glow discharge in the argon flow.pdf Введение Разряды атмосферного давления в потоке газа и плазменные струи, получаемые на основе таких разрядов, в последнее время привлекают все большее внимание. Рост интереса обусловлен как недостаточным пониманием газоразрядных процессов, так и перспективами практического применения плазменных струй в биологии, медицине, экологии, плазмохимии, при обработке или модификации свойств поверхности материалов, для нанесения покрытий и т.д. [1-13]. Примерами газоразрядных систем для получения плазменных струй на основе разряда в потоке газа являются слаботочный нестационарный коаксиальный плазмотрон и система электродов типа «скользящая дуга» [13-17]. Общий принцип работы таких устройств основан на том, что газ, протекая через область плазмы разряда, нагревается и увлекает за собой нейтральные и заряженные частицы, что приводит к формированию так называемой плазменной струи, которая в действительности представляет собой поток слабоионизованного газа. При атмосферном давлении и токах разряда на уровне долей ампера разряд обычно поддерживается в режиме тлеющего. Особенностью такого разряда является то, что характеристики прикатодных областей соответствуют нормальному тлеющему разряду, однако положительный столб контрагирован [14-16]. Кроме того, при поддержании разряда в потоке газа на фоне горения тлеющего разряда наблюдаются различные нестационарные процессы, такие как изменение длины положительного столба под действием потока, возникновение катодных пятен и спонтанные переходы в искровой или незавершенный искровой режимы [14]. Настоящая работа направлена на исследование разряда в потоке аргона и выявление особенностей формирования плазменных струй, получаемых на основе тлеющего разряда в потоке аргона при атмосферном давлении. Интерпретация процессов протекания электрического тока в струе при наличии в газоразрядной системе дополнительного диагностического электрода позволяет оценить концентрацию электронов и отрицательных ионов в области струи на выходе из сопла плазмотрона. Экспериментальная установка и методики измерений Как отмечалось во введении, одной из систем электродов, используемой для исследования разряда в потоке газа, является система электродов типа «скользящая дуга». Функциональная схема установки приведена на рис. 1. Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования разряда в потоке газа: 1 - катод; 2 - анод; 3 - место первого пробоя газоразрядного промежутка; 4 - схематичное положение канала разряда; 5 - стеклянная труба. HVDC - высоковольтный источник питания. V0 ≤ 5 кВ, Rb = 20 кОм, Rsh = 1 Ом Электродная система типа «скользящая дуга» аналогична описанным в работах [14, 15], за тем отличием, что газоразрядная система помещалась в стеклянную трубу 5 диаметром 90 мм и длиной 220 мм с целью исключить перемешивание аргона с атмосферным воздухом. В ходе эксперимента массовый расход аргона G не превышал 0.5 г/с. Для определения величины падения напряжения в катодном слое тлеющего разряда величина зазора между электродами 1 и 2 устанавливалась настолько малой, чтобы исключить возможность формирования положительного столба разряда. В таком случае напряжение горения разряда в микропромежутке практически соответствует величине катодного падения потенциала VNG. Методика измерения катодного падения потенциала более подробно описана в работе [14], где такой подход был использован применительно к разряду в потоке воздуха. Методика измерения плотности тока на катоде и положительном столбе состоит в одновременной регистрации тока через газоразрядный промежуток i(t) и изображения свечения разряда, исходя из которого измеряются диаметры области отрицательного свечения и положительного столба разряда. Методика измерения продольной напряженности электрического поля в положительном столбе состоит в одновременной регистрации напряжения горения разряда V(t) и изображения свечения разряда, исходя из которого измеряется длина положительного столба разряда. Затем напряженность электрического поля оценивается как отношение падения напряжения на положительном столбе, VPC = V(t) - VNG, к длине положительного столба разряда. Аналогичные методики измерения были применены в работе [15] для получения вольт-амперной характеристики положительного столба разряда в потоке воздуха. Детальное описание параметров установки и методик измерения приведено также в работах [14, 15]. Электродная система типа коаксиального плазмотрона использовалась для исследования плазменных струй, получаемых на основе разряда в потоке газа. Как отмечалось в работе [17], свойства и характеристики тлеющего разряда в слаботочном плазмотроне и в электродной системе типа «скользящая дуга» во многом идентичны. Это дает возможность привлекать данные, полученные при анализе результатов экспериментов со «скользящей дугой», для интерпретации физики процессов в нестационарном плазмотроне и струе. На рис. 2 приведена упрощенная схема установки для исследования плазменной струи, получаемой на основе разряда в потоке газа, поддерживаемого в коаксиальном плазмотроне. Система для получения плазменных струй и методика диагностики параметров струи в плазмотроне более подробно описаны в работах [16, 17]. Особенностью предлагаемой установки является наличие дополнительного диагностического электрода 5 для регистрации тока заряженных частиц, протекающего через струю слабоионизованного газа, формирующуюся на выходе из газоразрядной системы. В соответствии с методикой, описанной в работах [15-17], исследованы параметры разряда в потоке газа и интерпретированы процессы, приводящие к протеканию тока на диагностический электрод. На основе полученных данных сделана оценка концентрации электронов в струе. Рис. 2. Схема установки с дополнительным диагностическим электродом для регистрации тока через струю: 1 - катод; 2 - анод; 3 - место первого пробоя газоразрядного промежутка; 4 - схематичное изображение положения канала разряда; 5 - диагностический электрод; С - точка на поверхности положительного столба разряда. Диаметр катода - 10 мм, длина сопла - 10 мм, диаметр выходного отверстия сопла - 5 мм. G ≤ 0.5 г/с, V0 ≤ 5 кВ, Rb = 20 кОм, RS = 1 Ом, RS2 = 1 кОм Внутренний потенциальный электрод 1 является катодом (изготовлен из меди), анод плазмотрона 2 (из нержавеющей стали) выполняет также функцию сопла плазмотрона. Дополнительный диагностический электрод 5 представляет собой медный диск диаметром 20 мм, расположенный соосно, на расстоянии 10 мм от сопла плазмотрона. С помощью осциллографа регистрировались ток разряда i(t), напряжение горения разряда V(t) и ток заряженных частиц ijet(t), протекающий с катода через объем плазменной струи на заземленный электрод 5. В ходе экспериментов с обеими электродными системами постоянное напряжение отрицательной полярности от высоковольтного источника питания V0 подается на электроды через балластный резистор Rb и коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, емкостью около 250 пФ. При подаче высокого напряжения емкость кабеля заряжается до тех пор, пока не произойдет первый пробой промежутка по кратчайшему расстоянию между электродами (позиция 3 на рис. 1 и 2). В результате пробоя формируется канал искрового разряда, но поскольку ток в разрядном контуре ограничен балластным резистором Rb, искровой разряд трансформируется в разряд типа тлеющего. Далее столб разряда изменяет свое положение и форму под действием потока газа, также происходит перемещение точек привязки разряда на электродах (положение канала разряда схематично изображено как позиция 4 на рис. 1 и 2). Методика измерения плотности потока заряженных частиц в струе состоит в регистрации тока через струю ijet(t), который фактически протекает через газоразрядный промежуток, образованный электродами 1 и 4. Затем плотность потока заряженных частиц в области струи оценивается как отношение тока к элементарному заряду и площади сечения сопла плазмотрона. Для определения концентрации заряженных частиц в струе необходимо оценить величины параметра E/peff. Эффективное давление в струе peff оценивалось исходя из измерения температуры газа в области струи. Для измерения температуры использовалась термопара TP-03A. Детально методика оценки эффективного давления в струе описана в [16, 17]. Напряженность электрического поля рассчитывалась исходя из потенциала области плазмы в окрестности точки C, определяемого на основе данных о пространственном положении столба разряда, напряжении горения разряда V(t), и геометрии диагностической системы. Далее, исходя из плотности потока заряженных частиц и приведенной напряженности электрического поля определялась концентрация электронов в струе, формирующейся на выходе из сопла плазмотрона. Результаты и их обсуждение Рассмотрим результаты, полученные с системой электродов типа «скользящая дуга». Для определения падения напряжения в катодном слое разряда величина зазора между электродами 1 и 2 не превышала 0.4 мм, массовый расход аргона задавался на уровне G = 0.05 г/с. В этих условиях область отрицательного свечения NG на поверхности катода характерна для разряда типа тлеющего, в то время как в микропромежутке не наблюдается положительного столба. При этом напряжение горения разряда в микропромежутке практически соответствует величине катодного падения потенциала VNG = (165±5) В. Отметим, что величина катодного падения потенциала для разряда в потоке аргона значительно (почти в 2 раза) ниже, чем для разряда в потоке воздуха. Далее, в соответствии с вышеописанной методикой анализировались осциллограммы и фотографии разряда в потоке аргона, полученные при вариации среднего тока разряда за счет регулировки напряжения источника питания V0. Типичные осциллограммы напряжения горения V(t) и тока разряда i(t) совместно с фотографией свечения разряда в потоке аргона приведены на рис. 3. Рис. 3. Типичные осциллограммы напряжения горения V(t), тока разряда i(t) (а) и фотография свечения разряда (б). Нулевые линии на осциллограмме показаны горизонтальными стрелками. Межэлектродный промежуток - 0.8 мм. Длительность экспозиции CCD-камеры - 10 мкс. G = 0.25 г/с В момент времени t0, когда осуществлялось фотографирование разряда, напряжение горения не превышает 360 В, в то время как столб разряда имеет длину более 5 см. Далее, в процессе скольжения точек привязки разряда по поверхности электродов длина положительного столба увеличивается. В результате на осциллограмме наблюдается рост напряжения горения и плавный спад тока в разрядном контуре. Кроме того, присутствуют перепады напряжения горения, связанные как со спонтанным переходом в режим поддержания разряда с катодным пятном (момент времени t1), так и с быстрыми флуктуациями параметров положительного столба в потоке аргона (момент времени t2). Ввиду того, что эквивалентное сопротивление разряда значительно меньше Rb, скачки напряжения горения слабо отражаются на величине тока разряда. Перед повторным пробоем (момент времени t3) напряжение горения достигает 1200 В, в результате чего происходит повторный пробой в узкой части газоразрядного промежутка (позиция 3 на рис. 2). Следует отметить, что подобное поведение разряда в потоке аргона схоже с разрядом в потоке воздуха, однако характерный временной масштаб процесса скольжения разряда значительно больше [14, 15]. Среднее время скольжения разряда может составлять около 100 мс, что на два порядка выше, чем для разряда в потоке воздуха при той же величине массового расхода газа. Напряжение горения разряда в узкой части газоразрядного промежутка может быть менее 200 В. Аналогично разряду в потоке воздуха в потоке аргона при атмосферном давлении на поверхности катода наблюдается область отрицательного свечения, положительный столб разряда контрагирован (рис. 3, б). Область отрицательного свечения часто принимает вытянутую форму или может иметь некоторое количество «лепестков», что затрудняет измерение плотности тока в катодном слое разряда. При среднем токе разряда около 200 мА плотность тока в NG оценивается на уровне 1-2 А/см2. Существенно отличаются параметры положительного столба разряда. Для разряда в потоке аргона в диапазоне токов от 50 до 200 мА плотность тока в положительном столбе практически постоянна и составляет приблизительно 30 А/см2. Тогда как для разряда в потоке воздуха наблюдается выраженная зависимость величины плотности тока в столбе от величины тока. В отличие от разряда в потоке воздуха, где длина столба плазмы не превышала нескольких сантиметров, в потоке аргона становится возможным поддержание столба с длиной более 10 см. Спонтанно возникают ситуации, когда точки привязки разряда на электродах на весьма длительное время (порядка единиц, иногда десятков секунд) фиксируются на верхней части электродов 1 и 2. При этом столб разряда поддерживается в потоке газа, хаотически изменяя свое положение и форму. В диапазоне средних токов разряда от 50 до 200 мА продольная напряженность электрического поля в положительном столбе уменьшается от 50 В/см до ~ 30 В/см. Поскольку положительный столб разряда поддерживается в контрагированном режиме, температура нейтральных частиц в области плазмы может достигать величины порядка 1200 К [18], что дает оценку эффективного давления в области положительного столба на уровне peff = 190 Торр. Соответственно, для положительного столба разряда в потоке аргона характерно значение параметра EPC/peff = 0.2-0.4 В/(см•Торр). В этих условиях величина дрейфовой скорости электронов находится в диапазоне (2.6-3.1)•105 см/с [19-21]. Таким образом, для разряда в потоке аргона концентрация электронов в области положительного столба плазмы оценивается на уровне (6.2-7.2)•1014 см-3. В общем случае для разрядов в потоке газа малая доля электронов и ионов за счет диффузии и турбулентной конвекции может покидать поверхность положительного столба разряда. Таким образом, заряженные частицы попадают в поток газа и на выходе из газоразрядной системы формируется струя слабоионизованного газа. Ввиду достаточно высокой концентрации электронов в положительном столбе с его поверхности через струю возможно протекание электрического тока. При отрицательной полярности напряжения источника питания V0 положительные ионы дрейфуют в направлении катода, в то время как ток электронов и отрицательных ионов замыкается на поверхности анода и диагностического электрода. Необходимым условием для протекания тока через объем струи является наличие продольной компоненты электрического поля, приводящего к дрейфу носителей заряда. Такое электрическое поле в рассматриваемой системе электродов типа коаксиального плазмотрона (рис. 2) создается между участком положительного столба и диагностическим электродом за счет потенциала плазмы в окрестности точки C. После установления разряда в плазмотроне область NG располагается в основном на торцевой части катода. Точка привязки канала разряда на аноде под действием потока газа перемещается по внутренней поверхности сопла (схематичное изображение положения канала разряда показано как позиция 4 на рис. 2), при этом длина положительного столба возрастает. На рис. 4 приведены осциллограммы напряжения горения разряда V(t), тока разряда i(t) и тока, протекающего на диагностический электрод ijet(t) совместно с фотографией свечения столба разряда в плазмотроне. Рис. 4. Осциллограммы напряжения горения V(t), тока разряда i(t) и тока, протекающего на диагностический электрод ijet(t) (а); фотография свечения разряда (длительность экспозиции 1 мс) (б). Нулевые линии на осциллограмме показаны горизонтальными стрелками. G = 0.15 г/с, средний ток разряда - 145 мА Видно, что увеличению длины положительного столба соответствует рост напряжения горения V(t). Следует отметить, что характерный временной масштаб процесса скольжения разряда составляет 4-8 мс, что на порядок выше, чем для разряда в потоке воздуха при той же величине массового расхода газа. Когда положительный столб движется внутри электродной системы (интервал времени Δt), электрическое поле в значительной степени экранировано анодом и ток на диагностический электрод практически не регистрируется. Значительный ток ijet(t) наблюдается, когда положительный столб находится в непосредственной близости от выходного отверстия сопла плазмотрона или же выходит за его пределы. Например, в момент времени t1 точка привязки канала разряда располагается вблизи торца сопла плазмотрона, положительный столб частично выходит из объема электродной системы и изгибается (рис. 4, б). При этом напряжение горения разряда V(t1) ≈ 250 В. С учетом того, что напряжение неравномерно распределяется между областями тлеющего разряда, необходимо определить разность потенциалов между точкой C на поверхности столба плазмы и диагностическим электродом. Пренебрегая падением напряжения на шунтирующем резисторе RS2, можно принять потенциал диагностического электрода равным нулю. Потенциал области плазмы в окрестности точки С оценивался исходя из данных о продольной напряженности электрического поля и результатов измерения длины сегмента положительного столба по фотографии. На рис. 4, б длина части положительного столба, видимая на фотографии, составляет приблизительно 1.5 см, длина сопла плазмотрона - 1 см. Таким образом, суммарная длина положительного столба составляет около 2.5 см. При падении напряжения на положительном столбе 75 В напряженность электрического поля в столбе оценивается на уровне 30 В/см, что соответствует оценкам, выполненным для конфигурации электродов типа «скользящая дуга». Длина сегмента положительного столба от точки привязки разряда на аноде до точки C составляет около 1 см. Тогда при продольной напряженности электрического поля в столбе EPC = 30 В/см потенциал точки С будет на уровне 30 В. Напряженность электрического поля в диагностическом промежутке оценивалась как отношение полученной величины электрического потенциала к кратчайшему расстоянию между точкой перегиба положительного столба С и диагностическим электродом. В эксперименте расстояние между точкой C и диагностическим электродом составляло приблизительно 0.8 см. Поскольку диаметр положительного столба разряда не превышает 1 мм, вблизи положительного столба разряда напряженность может быть несколько выше вследствие локального усиления электрического поля. Тогда средняя напряженность поля в диагностической системе оценивается на уровне 40-50 В/см. Методика оценки концентрации заряженных частиц в струе аналогична той, что описана для положительного столба, однако величины приведенной напряженности электрического поля в струе и в положительном столбе разряда значительно отличаются. За счет прогрева газа концентрация нейтральных частиц в области струи оказывается ниже, чем при нормальных условиях. Для учета этого фактора измерялась температура газа вблизи сопла плазмотрона и вблизи поверхности диагностического электрода. При массовом расходе аргона на уровне G = 0.15 г/с температура газа в области струи вблизи положительного столба достигает 700 К, в то время как вблизи поверхности диагностического электрода она не превышает 400 К. Таким образом, эффективное давление газа в области вблизи точки C может быть ниже 320 Торр, в то время как у поверхности диагностического электрода 5 (см. рис. 2) величина эффективного давления оценивается на уровне peff = 560 Торр. Соответственно, для области струи вблизи положительного столба разряда приблизительное значение параметра E/peff ≈ 0.15 В/(см•Торр); для области струи вблизи поверхности диагностического электрода 5 характерная величина приведенной напряженности электрического поля оценивается на уровне E/peff ≈ 0.05 В/(см•Торр). В этих условиях величина дрейфовой скорости электронов находится в диапазоне (1.8-2.4)•105 см/с [14, 15]. В момент времени t1 на диагностический электрод 5 регистрируется ток отрицательно заряженных частиц ijet(t1) ≈ 20 мкА (рис. 4, а). В этом случае усредненную плотность электрического тока через струю можно оценить как отношение тока заряженных частиц к площади поперечного сечения сопла плазмотрона. Тогда значение плотности тока, усредненное в поперечном сечении струи, получается на уровне 100 мкА/см2. На основе полученных данных о дрейфовой скорости электронов в струе для разряда в потоке аргона концентрация электронов в области струи оценивается на уровне (2.6-3.5)•109 см-3. Ввиду относительно малого диаметра положительного столба плотность тока на его поверхности вблизи точки С будет выше. Таким образом, концентрация электронов вблизи положительного столба разряда в потоке аргона может достигать 1010 см-3. Сравнительная характеристика разряда в потоке аргона и разряда в потоке воздуха, а также струй, получаемых на основе этих разрядов, приведена в таблице. Сравнительная характеристика разрядов в потоке газа и струй, получаемых на их основе Параметры Воздух Аргон Катодное падение потенциала, В 300 165 Диаметр области отрицательного свечения, мм 1.5-3.0 2.5-5.0 Плотность тока на катоде, А/см2 2-8 < 2 Максимальная длина положительного столба, см < 5 < 15 Диаметр положительного столба, мм 0.35-0.50 0.30-0.75 Напряженность электрического поля в столбе, В/см 400-1400 30-50 Плотность тока в положительном столбе, А/см2 80-140 30 Концентрация электронов в плазме положительного столба, см-3 5•1013-2•1014 (6-7)•1014 Мощность, выделяющаяся в плазме разряда, Вт 80-140 15-50 Температура газа в струе на выходе из сопла плазмотрона, °С 400-900 120-400 Концентрация электронов в струе, см-3 107-108 > 109 Заключение В ходе исследования определены параметры тлеющего разряда в потоке аргона, поддерживаемого в системе электродов типа «скользящая дуга» и в коаксиальном плазмотроне. Для разряда, поддерживаемого в потоке аргона, характерно: относительно низкое падение напряжения на катодном слое (VNG ≈165 В), меньшая плотность тока на катоде, низкая напряженность электрического поля в столбе плазмы (EPC < 50 В/см), весьма высокая концентрация электронов в плазме положительного столба на уровне 7•1014 см-3. Как и для разряда в воздухе, положительный столб поддерживается в контрагированном режиме. При вариации тока разряда в диапазоне от 50 до 200 мА диаметр положительного столба в потоке аргона изменяется таким образом, что плотность тока в столбе остается практически постоянной и составляет около 30 А/см2. Область отрицательного свечения может принимать сложную форму, отличную от округлой, плотность тока на катоде оценивается на уровне 1-2 А/см2. Показано, что в газоразрядной системе на основе коаксиального плазмотрона ток в диагностическом промежутке протекает с сегмента положительного столба на дополнительный электрод. При этом сегмент столба плазмы находится под потенциалом относительно диагностического электрода. Величина этого потенциала в значительной степени определяется размерами и пространственным положением столба разряда. В рассматриваемой системе сегмент положительного столба, по сути, является плазменным катодом, с которого на диагностический электрод протекает электрический ток ijet(t) в режиме дрейфа носителей заряда. Амплитуда этого тока определяется напряженностью поля в диагностической системе и величиной эффективного давления в области струи. В результате исследования дана характеристика струй, получаемых на основе разряда в потоке газа в коаксиальном плазмотроне. Выявлено, что при схожих условиях температура и скорость газа в струе аргона могут быть в несколько раз меньше, чем для струи, получаемой на основе разряда в потоке воздуха. Это объясняется большей плотностью аргона в сравнении с воздухом и меньшей электрической мощностью, необходимой для поддержания разряда в потоке газа. Таким образом, для плазменной струи, получаемой на основе разряда в потоке аргона, температура газа оказывается существенно ниже, а эффективное давление в области струи - выше, чем для разряда в воздухе. Кроме того, ввиду существенно меньшей напряженности поля в положительном столбе отношение E/peff в струе аргона значительно ниже, чем при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа. В результате ток на диагностический электрод оказывается меньше (на уровне единиц и десятков микроампер), однако концентрация электронов может достигать величины 109 см-3 и более, что существенно выше, чем для воздуха.

Скачать электронную версию публикации