Экспериментальные и теоретические исследования стримерных разрядов методами эмиссионной оптической спектроскопии

Данная работа выполнена при финансовой поддержке США по контракту с Международным Научно-Техническим Центром (МНТЦ), Москва
2
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение 7
1.1. Постановка задачи 7
1.2. Структура и объем диссертации 14
1.3. Основное содержание работы 16
2. Обзор литературы 18
2.1. Концепция стримера 18
2.2. Наблюдения электрического тока и излучения стримера 19
2.3. Современные экспериментальные и теоретические исследования 21
3. Теоретический фундамент метода диагностики 28
3.1. Метод спектрально-оптической диагностики стримерных разрядов и его
применение 28
3.1.1. Краткое описание результатов данного подраздела 28
3.1.1.1. Теоретические аспекты и подэтапы представленной работы 29
3.1.1.2. Общая схема исследований 31
3.1.2. Фундаментальные спектроскопические интегралы 31
3.1.3. Заселенности электронных состояний 35
3.1.3.1. Уравнения непрерывности для заселенностей электронных состояний
и их решение 35
3.1.3.2. Аналитический вывод квазистационарных решений 37
3.1.4. Частоты и константы скоростей реакций 40
3.1.4.1. Набор основных частот и констант скоростей реакций 41
3.1.4.2. Уравнение Больцмана для электронов 43
3.1.4.3. Интегралы неупругих столкновений 45
3.1.4.4. Кинетические коэффициенты и скорости процессов 48
3.1.4.5. Сечения процессов 50
3
3.1.4.6. Метод численного решения 52
3.1.4.7. Консервативная по потоку конечно-разностная схема 56
3.1.4.8. Иллюстрация численных расчетов 59
3.1.5. Полуаналитическая модель динамики стримера 63
3.1.5.1. Набор уравнений модели 63
3.1.5.2. Аналитическая одномерная модель для стадии стационарного распространения стримера 66
3.1.5.3. Одномерный параметрический профиль приведенного электрического поля 69
3.1.5.4. Аксиально-симметричная полуторамерная (1.50) параметрическая модель головки стримера 70
3.1.6. Верификация модели 72
3.1.6.1. Алгоритм и метод численных расчетов осевых профилей 72
3.1.6.2. Сравнение с результатами двумерного моделирования 73
3.1.7. Численные расчеты и анализ временных профилей излучения полос
азота 75
3.1.7.1. Экспрессный анализ профилей излучения и синхронного отношения Я] 75
3.1.7.2. Прямой расчет выходных импульсных сигналов 77
3.1.7.3. Влияние примеси излучения (2,5)-полосы ВПС к (0,0)-полосе ПОС 80
3.1.7.4. Использование альтернативного набора частот тушения 81
3.2. Вращательная структура полос излучения азота 91
3.2.1. Общие замечания 91
3.2.2. Единицы измерения и коэффициенты пересчета 92
3.2.3. Распределение заселенностей по вращательным подуровням 93
3.2.4. Вращательная структура полос второй положительной системы азота 96
3.2.5. Вращательная структура полос первой отрицательной системы азота 99
3.2.6. Щелевая функция 100
3.3. Теоретический фундамент для импульсов электрического тока 101
3.3.1. Краткий обзор существующих теорий измерения индуцированных
стримером токов 101
3.3.2. Фундаментальные уравнения 102
3.3.3. Общая эквивалентная схема 103
4
3.3.4. Вывод основных соотношений 104
3.3.5. Краткие выводы 106
4. Экспериментальная установка и компоненты 108
4.1. Общая схема установки. Средства калибровки 108
4.2. Компоненты 110
4.2.1. Информационно-измерительная система на основе СРГ7 110
4.2.2. Разрядные камеры 111
4.2.3. Широкополосные усилители 114
4.2.4. Скоростные фотоумножители и фотодетекторы 117
4.3. Перечень общих технических характеристик измерительной системы 118
5. Экспериментальные исследования и результаты 132
5.1. Измерения электрического тока 133
5.1.1. Импульсы электрического тока, измеренные с помощью разрядной
камеры типа Мароде 133
5.1.2. Импульсы электрического тока, измеренные с помощью разрядной
камеры типа К.Кондо 135
5.1.3. Обсуждение 137
5.2. Спектрально-оптические исследования первичного стримера 143
5.2.1. Количество одновременно развивающихся в промежутке стримеров 143
5.2.2. Запуск и синхронизация 145
5.2.3. Осциллограммы выходных импульсных сигналов излучения полос азота 149
5.2.4. Вращательная структура полос ВПС и ПОС азота 162
5.2.5. Расчет спектральной щелевой функции 164
5.2.6. Учет аберраций 167
5.2.7. Оценка температуры газа в канале стримера 168
5.2.8. Отношение синхронных временных профилей интенсивностей полос ВПС и
ПОС 175
5.2.9. Восстановленная пространственная структура излучения вдоль
разрядного промежутка 176
5
5.2.10. Пространственно-временные характеристики первичного стримера 186
5.2.11. Эффекты стохастической нестабильности развития стримеров 198
6. Заключение 201
6.1. Краткий анализ и сводка результатов 201
6.2. Главные итоги и новизна полученных результатов 206
Список использованных источников 208
6
1. Введение
1.1. Постановка задачи
Название работы: Экспериментальные и теоретические исследования стримерных разрядов методами эмиссионной оптической спектроскопии
Актуальность темы определяется крупной научно-технической проблемой экспериментального и теоретического исследования электрических разрядов в газовых промежутках.
Стрнмерный разряд (стримерная стадия) является одной из важнейших начальных стадий полного или незавершенного электрического разряда в газах. В воздушных промежутках атмосферной плотности уединенный стример обладает, как правило, характерной нитевидной структурой, умеренной степенью ионизации нейтрального газа в канале в диапазоне 10'6+10'4 относительных единиц, высокими электрическими полями в области головки 400+800 Тд и высокими скоростями распространения (2-+20)х107 см/с. В резко-неоднородных полях под воздействием высоких импульсных напряжений с коротким фронтом стрнмерный разряд обычно развивается в виде сильно-разветвленной структуры, состоящей из отдельных нитевидных каналов. Эти свойства можно считать характерными для большого разнообразия электрических разрядов в длинных и коротких промежутках.
Стрнмерный разряд как одна из начальных стадий определяет характеристики газовой изоляции. Большое применение стрнмерный разряд находит в различных электроразрядных технологиях: в устройствах для очистки воздуха от оксидов серы и азота и от органических газообразных примесей, а также в устройствах для производства озона. Непрерывно возникают новые приложения стримерных разрядов как покоящейся окружающей среде, так и в движущейся. В последнее десятилетие большой интерес в мире возник к (примерным разрядам в связи с эффектами их воздействия на свойства течения окружающего газа в приложении к проблеме снижения аэродинамического сопротивления летательных аппаратов, снижения акустических шумов и др.
Для повышения качества работы и эиергоэффектнвиости технологических электроразрядных установок большое значение имеет более правильный выбор режимов горения разряда. Достаточно привести пример из области очистки топочных газов тепловых электростанций. В первых установках энергоэффективность газоочистки
7
составляла около 700 эВ/мол, тогда как сегодня в лучших пилотных технологических образцах эта цифра снижена до 12+15 эВ/мол. Если в первом случае для качественной очистки топочных газов до уровня ПДК требовалось затратить энергии больше, чем производила станция целиком, то во втором случае эта цифра составляет 2+3 % от мощности электростанции, что определят успешность метода в практических приложениях.
Все сказанное выше определяет значимость текущих и дальнейших экспериментальных исследований стримерных разрядов в целом.
Большой информативной значимостью обладают спектрально-оптические методы исследований структуры и физических параметров стримерных разрядов. Несмотря на систематические успехи в данной области исследований, полный объем полученных данных о стримерных разрядах еще далек от завершения. Успехи применения спектрально-оптических методов диагностики растут параллельно с углублением общетеоретического осмысления стримерных разрядов, с повышением возможностей численного моделирования с применением персональных компьютеров, с расширением и уточнением базы данных в смежных научных областях, а также с непрерывным совершенствованием средств измерений.
Неслучайно в последнее десятилетие появилось много работ, посвященных спектрально-оптической диагностике стримерных разрядов различных типов. В этих работах получено немало новых данных, а многие ранее известные данные и свойства получены и описаны на новом методическом уровне. При исследовании стримерных разрядов в коротких воздушных промежутках наибольшее развитие получили методы спектрально-оптической диагностики, основанные на измерении эмиссионных спектров полос первой отрицательной (ПОС) и второй положительной (ВПС) систем молекулярного азота. Настоящая работа посвящена дальнейшему развитию этого актуального направления исследований.
Целыо данной работы является исследование физических параметров стримерного разряда в коротких воздушных промежутках спектрально-оптическим методом, основанным на измерении и анализе эмиссионных спектров (0,0)-полос первой отрицательной (ПОС) и второй положительной (ВПС) систем молекулярного азота.
Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
8
1. Создать экспериментальную установку для спектрально-оптической диагностики с применением высокоскоростных ФЭУ, обеспечивающую высокостабильные характеристики разряда с течением времени и обладающую высокими чувствительностью и пространственно-временным разрешением на уровне 0.2+0.8 не и 0.01+0.1 мм. При сопоставимом пространственном разрешении и светосиле временное разрешение создаваемой установки должно превзойти в 10+20 раз временное разрешение, достигаемое в аналогичных установках. Это позволит впервые провести измерения световых сигналов с адекватным разрешением в отличие от прежних исследований, в которых длительность световых сигналов оказывалась в десятки раз больше, чем следовало из теоретических оценок.
2. Разработать метод спсюралыю-оптической диагностики стримерных разрядов, основанный на измерении абсолютных и относительных интенсивностей (АОИ) синхронизированных локальных временных профилей (0,0)-полос ПОС и ВПС азота. Методы АОИ, применяемые ранее для анализа световых сигналов, регистрируемых без адекватного пространственно-временного разрешения и синхронизации, не дают детальной информации, а также имеют большие погрешности и неоднозначность при восстановлении физических параметров стримера из результатов измерений световых сигналов. Кроме того, стандартный метод АОИ имеет принципиальный недостаток, обусловленный несовпадением максимумов сигналов различных полос азота, соответствующих различным физическим координатам распространяющихся фронтов.
3. Провести измерения локальных синхронизированных временных профилей излучения полос азота в абсолютных единицах целиком на протяжении разрядного промежутка при развитии положительной периодической стримерной короны постоянного тока (ППСКПТ) в высокостабильном предпробойном режиме ее горения в воздухе атмосферной плотности.
4. По результатам экспериментальных исследований определить двумерную структуру и физические параметры в головке первичного стримера, в первую очередь такие как: приведенное электрическое поле, концентрация электронов и радиус стримера.
Методы исследовании:
Для решения поставленных задач использовались аналитические методы, положения
теории электрического разряда в газах, численное моделирование с применением
9
персональных компьютеров, методы экспериментальных исследований слабоионизованиой плазмы, техника оптической спектроскопии, методы и техника сверхбыстрых оптических и радиоизмерений.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые создана и использована экспериментальная установка для спектрально-оптической диагностики с применением высокоскоростных ФЭУ, обеспечивающая высокостабильные характеристики разряда с течением времени и обладающая рекордными чувствительностью и пространственно-временным разрешением на уровне 0.2+0.8 не и 0.01+0.1 мм в режиме регистрации однократных импульсов.
2. Впервые предложен метод синхронного отношения абсолютных временных ппобнлей (0,0)-лолос ВПС и ПОС азота, обобщающий традиционные методы АОИ для распространяющихся фронтов с высокими градиентами величин. Особенностью метода является измерение синхронизированных временных профилей излучения полос азота в абсолютных единицах с высоким временным и пространственным разрешением в продольном направлении (1Ь разрешением) вдоль оси разрядного промежутка. Данный диагностический метод, позволяющий восстановить прямым методом подгонки двумерную структуру головки стримера без проведения измерений с пространственным разрешением в радиальном направлении, основан на двух взаимосвязанных положениях, предложенных и реализованных впервые:
2.1. Полуаналитическая полуторамерная (1.50) параметрическая гидродинамическая модель головки стримера в стадии стационарного распространения стримера в средней части промежутка, составляющая теоретическую основу метода диагностики в части описания свойств плазмы разряда. В рамках модели разработан соответствующий эффективный численный алгоритм для расчета пробных профилей излучения и физических параметров в головке стримера, позволяющий реализовать процедуру подгонки пробных теоретических профилей, рассчитанных прямым методом, к экспериментальным профилям.
2.2. Полная спектроскопическая методика регистрации и расчета эмиссионного излучения (0,0)-полос ВПС и ПОС распространяющихся стримериых разрядов, учитывающая характеристики всех компонент спектрально-оптического измерительного канала, включая пространственно-временное разрешение и разрешение по длинам волн.
Ю
3. Впервые проведены измерения синхронизированных абсолютных временных профилей (0,0)-полос ПОС и ВПС азота в первичном стримере ППСКПТ при атмосферной плотности, выполненные с адекватными синхронностью, пространственно-временным и спектральным разрешением в многофотонном режиме работы ФЭУ.
4. По результатам экспериментальных исследований впервые выполнена полная реконструкция двумерной структуры и определены физические параметры в головке первичного стримера, такие как: приведенное электрическое поле, концентрация электронов и его радиус.
Практическая значимость:
1. Созданная экспериментальная установка и метод диагностики могут использоваться как основа для дальнейших аналогичных исследований, обеспечивающих более высокий уровень достоверности результатов, чем ранее, применительно к более широкому классу электрических разрядов.
2. Практически реализовано и показано, что исследовательские установки для спектрально-оптической диагностики стримериых разрядов в воздухе атмосферной плотности классическим щелевым методом с пространственным разрешением в продольном направлении могут быть созданы на основе ФЭУ в многофотонном режиме, которые обеспечивают полностью адекватное пространственно-временное разрешение. Преимущество использования ФЭУ в многофотонном режиме по классической схеме перед другими способами состоит, прежде всего, в паи высшей достоверности при измерении формы импульсного сигнала, а также в наличии хорошо разработанного метрологического обеспечения для абсолютных измерений.
3. Экспериментальные результаты, полученные с адекватным пространственно-временным разрешением почти во всех точках разрядного промежутка, устанавливают, что дчительности спектрально-оптических сигналов в полосах ПОС и ВПС азота составляют от долей до единиц наносекунд, что в 10-г20 раз короче, чем обычно фигурирует в научной литературе. Такие короткие длительности оптических сигналов даже без детального анализа показывают, что характерные геометрические размеры головки стримера составляют доли миллиметра.
11
4. Полученные результаты по измерению электрических полей и концентраций электронов в головке стримера подтверждают основные положения теории стримерного разряда в коротких воздушных промежутках.
5. Полный набор других экспериментальных результатов, включая измерения в приэлекгродных областях, анализ которых в данной диссертационной работе был выполнен только качественно, могут служить опорными данными для верификации теорий стримерного разряда, в том числе основанных на моделях, учитывающих нелокальные и существенно нестационарные процессы в сильных электрических полях.
Положения, выносимые на защиту;
1. Параметры экспериментальной установки для спектрально-оптической диагностики па основе высокоскоростных ФЭУ, обеспечивающей рекордное пространственно-временное разрешение на уровне 0.2+0.8 не и 0.01+0.1 мм при адекватной светосиле в многофотоином режиме работы ФЭУ как при регистрации однократных импульсов, так и с накоплением.
2. Метод синхронного отношения абсолютных временных профилей (0,0)-полос ВПС и ПОС молекулярного азота, обобщающий традиционные методы АОИ и включающий две составные части:
2.1. Полуторамерная (1.50) параметрическая гидродинамическая модель головки стримера в стадии стационарного распространения в средней части промежутка, а также соответствующий численный алгоритм для расчета пробных профилей излучения и физических параметров в головке стримера.
2.2. Полная спектроскопическая методика регистрации и расчета эмиссионного излучения (0,0)-полос ВПС и ПОС в абсолютных единицах.
3. Результаты измерений синхронизированных абсолютных временных профилей (0,0)-полос ПОС и ВПС азота в первичном стримере ППСКПТ при атмосферной плотности, выполненные при адекватной синхронности и пространственно-временном разрешении в многофотоином режиме работы ФЭУ.
4. Результаты экспериментальных исследований в части двумерной структуры и физических параметров в головке первичного стримера, такие как: приведенное электрическое поле, концентрация электронов и радиус стримера.
12
Личный вклад соискателя:
Из 20 работ, опубликованных по теме диссертации, 14 выполнены с соавторами и 6 без соавторов. Главная содержательная часть диссертационной работы, отраженная в указанных публикациях, выполнена в рамках самостоятельного подразделения 28.3 ВНИЦ ВЭИ (руководитель Ю.В.Щербаков) при выполнении конкурсного проекта МНТЦ№ 1123 (руководитель Ю.В.Щербаков). Все публикации и диссертация подготовлены на основе Заключительного отчета МНТЦ, а также материалов в стадии подготовки предложения по проекту и его выполнения. Целиком совпадающие цели и задачи настоящей диссертационной работы и проекта № 1123 были поставлены соискателем самостоятельно. Выполнение работы в целом осуществлялось под руководством соискателя.
Соискатель проводил исследования, готовил данные и тексты, формулировал выводы для статей [17,18) и докладов [2,3,5-7,9-12,14,16,20], опубликованных с соавторами. Примерный вклад и объем работ отражены в полном дополнительном списке опубликованных научных работ соискателя (всего 59 работ), посвященных исследованию электрических разрядов в коротких и длинных воздушных промежутках. Статьи и доклады [1,4,8,13,15,19] подготовлены и опубликованы соискателем самостоятельно без соавторов. Личный вклад соискателя в работы, опубликованные с соавторами, состоит в постановке и решении проблем, в планировании и разработке экспериментальных методик измерения и теоретических методов анализа полученных результатов, в проведении измерений и обработке экспериментальных результатов, в выполнении расчетов но существующим теориям, формулировке выводов, а также представлении докладов на конференциях. Соискатель полностью подготовил диссертацию, положения, которые выносятся на защиту и выводы. Таким образом, личный вклад автора диссертации в диссертационную работу и получение научных результатов, которые выносятся на защиту, является определяющим.
Апробация работы:
Основные положения работы докладывались и обсуждались на:
• международной конференции по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям - (СEl DP, Austin, Texas, USA: October 17-20,1999);
• Всероссийском электротех. конгрессе (М.: июнь/июль 28-03,1999);
• 8м международном симпозиуме «Электротехника 2010» (М.: май 23-27,2005);
13
• двадцать седьмом Международном конгрессе по высокоскоростной фотографии и фотонике - (ICHSPP: Xi’an, China, Sep 17-22,2006);
• на научно-техническом совете ГУП ВЭИ имени В.ИЛенина «Высоковольтная импульсная и преобразовательная техника»;
• на семинаре научного центра "Физики неравновесных систем" МФТИ.
Публикации:
По основному содержанию и результатам опубликовано 20 печатных научных работ, из них: 2 тезиса докладов на международных конференциях, 14 докладов на международных конференциях, одна печатная работа в ВИНИТИ и 3 статьи в рецензируемых журналах (1 - в российском, 2 - в зарубежном).
1. Щербаков 10 В 1997 Физические параметры стримерных разрядов в воздухе Дел. в
ВИНИТИ№3237-В97 от 31 октября 1997 г. 45 с.
2. Shcherbakov Yu V, Lupeiko А V, Zyuzin L N and Rybak V V 1998 The informational-
measuring system of nanosecond (sub-nanosccond) pulse signals Proceedings of the 29* Plasmadynamics and Lasers Conference of the American Institute of Aeronautics and Astronautics (29,A AlAA PDL-5 Conf) (Albuquerque, June 15-18, 1998) ID: 98-2659
3. Bortnik 1 M and Shcherbakov Yu V 1999 The eventual role of the streamer-cathode
interaction in applying to the electrotechnology Proceedings of the All-Russian Electrotechnical Congress {ВЭЛК99, WELC99) (Moscow, June/July 28-03, 1999) 1 237-8,1D.-4-46
4. Shcherbakov Yu V 1999 Spectroscopic study of the filamentary streamer discharges. 1.
Analysis of two-dimensional structure of the streamer head Proceedings of the XXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICP1G) {Warsaw, July 11-16,1999) ID: P-214 2 167-8
5. Bortnik IM, Shcherbakov Yu V and Zyuzin L N 1999 Spectroscopic study of the filamentary
streamer discharges. 2. Experimental ibid. ID: P-213 2 165-6
6. Bortnik I M, Shcherbakov Yu V and Zyuzin L N 1999 Spectroscopic study of positive
streamer in short air gap Proceedings of the XI International Symposium on High-Voltage Engineering {ISH99), {London, August 23-27, 1999) (Conf. Publ. No. 467) 3 23-26
7. Shcherbakov Yu V, Shilova A V and Syssoev V S 1999 The near-surface evolution of
streamer discharges Annual Report of the Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena {CEIDP) {Austin, Texas, USA: October 17-20, 1999) 2 662-5
8. Shcherbakov Yu V 2001 Actual probe currents in streamer diagnostics Proceedings of the
XXV International Conference on Phenomena in Ionized Gases {ICPIG) {Nagoya, Japan, July 17-22,2001) 4 81-2
9. Shcherbakov Yu V and Nekhamkin L I 2005 An emission spectroscopy method applied to
accurate diagnostics of initial stages of the gas discharges Proceedings of the VIII Symposium “Electrical Engineering 2010” {Moscow, Russia: May 23-27, 2005) ID:7.12
14
10. Shcherbakov Yu V and Nekhamkin L I 2005 Accurate spectroscopic studies of streamer
discharges. 1. Experimental results Annual Report of the Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP) (Nashville, Tennessee, USA, October 16-19,2005) 589-592
11. Shcherbakov Yu V and Nekhamkin L I 2005 Accurate spectroscopic studies of streamer
discharges. 2. Theoretical background and analysis Annual Report of the Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena {CEIDP) {Nashville, Tennessee, USA, October 16-19, 2005)) 593-596
12. Shcherbakov Yu V and Sigmond R S 2006 Novel high-resolved experimental results by sub-
nanosecond spectral diagnostics of streamer discharges Proceedings of the 37th Plasmadynamics and Lasers Conference of the American Institute of Aeronautics and Astronautics {37th AIAA PDL Conf) {San Francisco, USA: June 5-8, 2006) ID: AIAA-2006-3758
13. Щербаков IO В 2006 Прецизионные спектральные исследования положительной
стримерной короны постоянного тока Электричество No 9 80-7
14. Shcherbakov Yu V, Nekhamkin L I and Domashcnko G D 2006 An accurate automatic
spectropyromctric calibrator Proceedings of the 27th International Congress on High-Speed Photography and Photonics {ICHSPP: Xi'an, China, Sep 17-22, 2006) Abstract ID #044 83-4
15. Shcherbakov Yu V 2006 A fully self-consistent parametric 2D model of the filamentary
streamer head as applied to spectral diagnostics of streamer discharges Annual Report of the Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena {CEIDP) {Nashville, Tennessee, USA, October 16-19, 2005) 101-104
16. Shcherbakov Yu V and Nekhamkin LI 2006 An analysis of highly synchronized and spacc-
and-timc resolved nitrogen FNS and SPS emission temporal waveforms produced by the repetitive DC streamer corona Annual Report of the Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena {CEIDP) (Nashville; Tennessee, USA, October 16-19, 2005) 105-108
17. Shcherbakov Yu V and Sigmond R S 2007 Subnanosecond spectral diagnostics of streamer
discharges. I: Basic experimental results Journal of Physics D: Applied Physics 40 460-73
18. Shcherbakov Yu V and Sigmond R S 2007 Subnanosecond spectral diagnostics of streamer
discharges. II: Theoretical background Journal of Physics D: Applied Physics 40 474-87
19. Shcherbakov Yu V 2007 Novel high-resolved spectroscopic studies of positive streamer
corona Proceedings of the SPIE 6279 62795U
20. Shcherbakov Yu V and Domashenko G D 2007 A high-speed high-responsive PMT-bascd
detector Proceedings of the SPIE 6279 6279 IF
1.2. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из шести глав, включая введение и заключение, и списка литературы. Общий объем 220 страниц. Основная часть (главы 2, 3, 4, 5; всего 183 страницы) содержит 125 страниц машинописного текста, включая 5 таблиц, и 58 рисунков, содержащих 100 отдельных диаграмм на 58 страницах. Список литературы включает 164 наименования.
15
1.3. Основное содержание работы
Во второй главе выполнен обзор литературных данных, освещающий основные этапы исследования стримерных разрядов в коротких воздушных промежутках, а также современное состояние исследований стримеров на основе прецизионных методов эмиссионной оптической спектроскопии. Обзор литературы подтверждает актуальность темы, а также дополнительно раскрывает цели и задачи диссертационной работы, описанные во введении.
В третьей главе разработан полностью самосогласованный метод диагностики стримерно-разрядной плазмы, основанный на анализе абсолютных интенсивностей второй положительной (ВПС) и первой отрицательной (ПОС) систем молекулярного азота. Теория метода объединяет спектроскопическую методику расчета временных профилей абсолютных интенсивностей (0,0)-полос ВПС и ПОС, а также самосогласованную полуаналитическую параметрическую аксиально-симметричную полуторамерную (1.50) модель головки нитевидного стримера.
Спектроскопическая методика учитывает характеристики всех компонент спектрально-оптического измерительного канала, включая пространственно-временное разрешение и разрешение по длинам волн. Также учитываются: хроматическая аберрация фокусирующей осветительной линзы, погрешности в настройке изображения объекта на входную щель, а также коррекция щелевой функции при неравномерном освещении вдоль ширины входной щели монохроматора.
Модель головки стримера характеризуется некоторым пробным согласованным допустимым осевым параметрическим профилем электрического поля в совокупности с профилями концентраций электронов и пространственного заряда, полностью согласованных друг с другом и с пробным электрическим полем. Дополнительно конструируется соответствующая двумерная (2Э) конфигурация для поля и для концентрации электронов через специальные эллипсоподобные геодезические линии. Абсолютные величины и синхронное отношение временных профилей (0,0)-полос ВПС и ПОС, разрешенных во времени и в продольном направлении пространственно (1Ь-разрешение), отношение их амплитуд и полная мощность излучения обоих профилей были использованы для реконструкции 2В структуры головки стримера.
С помощью процедуры подгонки непосредственно рассчитываемых профилей выходных импульсных сигналов к экспериментальным, описанным в главе 5, было
16
найдено, что приведенное электрическое поле и плотность электронов в головке стримера в средней части промежутка составляют 430-500 Тд и (2-3)х1014см*3, соответственно. Л соответствующее абсолютное электрическое поле, таким образом, составило 70-80 кВ/см при начальной температуре газа в канале периодического стримера около 450 К.
В четвертой главе описана экспериментальная установка для спектрально-оптической диагностики стрнмериых разрядов.
В пятой главе представлены полученные с высоким разрешением результаты взаимно-коррелированных спектрально-оптических и электродинамических исследований положительной стримерной короны постоянного тока в коротком воздушном промежутке. Особое внимание было уделено измерению абсолютных интенсивностей второй положительной (ВПС) и первой отрицательной (ПОС) систем молекулярного азота, а также дальнейшему повышению пространственно-временного разрешения наряду с высокой синхронизацией и стабильностью.
В прикатодной области эмиссионные временные профили полос ПОС и ВПС в стадии развития первичного стримера были зарегистрированы при взаимнокоррелированной синхронизации не хуже 0.1 не, а также при пространственно-временном разрешении около 0.01-0.1 мм вдоль оси стримера и 0.2-0.4 не в многофотонном режиме работы ФЭУ и режиме регистрации однократных сигналов измерительной системы. Было обнаружено, что наиболее короткое время нарастания соответствующих выходных импульсов напряжения составило около 0.3-0.4 не для (0,0)-полосы ВПС и 0.2-0.3 не для (0,0)-полосы ПОС; а ширина на полувысоте (ШПВ) около 1.4-1.5 не и 0.5-0.6нс, соответственно.
Были зарегистрированы абсолютные величины и отношение синхронных временных профилей (0,0)-полос ВПС и ПОС на протяжении всего разрядного промежутка в режиме накопления и усреднения измерительной системы при несколько худшем временном разрешении, но при адекватной стабильности и стохастичности.
Измерены и представлены различные вспомогательные характеристики, такие как; синхронные временные профили анодного и катодного токов, скорость стримера, вращательные спектры (0,0)-полос ВПС и ПОС, спектральные щелевые функции, температура нейтрального газа в канале стримера, а также проведены спектральнооптические калибровки.
17
2. Обзор литературы
2.1. Концепция стримера
Концепция стримера, называемого в Германии «каналом», была выдвинута в период с 1935 по 1940 годы по итогам работ, выполненных Флеглером (Regler) и Регером (Raether) 11-3], Лебом (Loeb) [4,5], а также Миком (Meek) [6]. Эта концепция выражала сопровождаемый электрическим током узкий нитевидный светящийся канал, который быстро перекрывает и закорачивает перенапряженный разрядный промежуток в атмосферном воздухе и других газах. Это было шагом вперед по отношению к более ранней теории Таунсенда [7], в которой пробой рассматривался как результат последовательности поколений экспоненциально растущих электронных лавин, поддерживаемых вторичной эмиссией с катода, и с помощью которой не удавалось объяснить узкие каналы искры, а также очень короткие времена развития иногда наблюдавшихся пробоев. Стример обладал необходимой скоростью распространения благодаря предполагаемой фотоионизации газа вокруг заряженной головки стримера, причем ионизующие фотоны исходят из электронных лавин, распространяющихся в сильном поле головки. Таким образом, стримерная концепция заменила таунссдовский механизм обратной связи через вторичную эмиссию с катода на потенциально более быстрый механизм прямой связи через фотоионизацию газа.
На этапе интенсивного исследования стримеров в 60-70х годах, в работах но численному моделированию, от Варда (Ward) [8-11] до Дэвисов (Davies, Davies) и Эванса (Evans) [12], а также Клайна (Kline) [13], было показано, что таунсендовский механизм в сочетании с индуцированными полями пространственного заряда в действительности могли бы обеспечить как высокую скорость разряда, так и его шнурование в большинстве плоско-параллельных промежутков шириной до нескольких сантиметров в атмосферном воздухе, и даже без учета фотоионизации. С другой стороны, концепция положительного или катодо-направленного стримера обязательно должна учитывать фотоионизацию газа, чтобы объяснить развитие быстрых нитевидных предвестников пробоя, которые наблюдаются исходящими из анода в коронном разряде и длинных воздушных промежутках, где вторичные электроны с катода слишком сильно запаздывают, чтобы играть какую-либо роль. Настоящие исследования посвящены только положительным стримерам.
18
Отрицательные, или анодо-направленные стримеры, которые изначально были названы Регером "КапаГ, видимо, также появляются в длинных промежутках и молнии. В противоположность положительному стримеру, отрицательный стример не испытывает никакой нужды в электронах для инициирования новых лавин впереди и, таким образом, не требует фотоионизации газа для своего распространения. Несмотря на это, для распространения отрицательного стримера в воздухе требуются поля в два-три раза большие, чем для положительного, и этот факт до сих еще недостаточно объяснен. Отрицательные стримеры здесь рассматриваться не будут.
2.2. Наблюдения электрического тока и излучения стримера
Стримерные явления в сантиметровых промежутках в воздухе атмосферной плотности имеют характерные времена нарастания сигналов около 1 не. Такие сигналы было очень трудно измерить с помощью первых осциллографов [14-20]. Существенно легче оказалось создать высоковольтные импульсы, и тогда Ретср [21] измерил в 1949 году скорость стримеров, анализируя фотографии, полученные с помощью пузырьковых камер. В 50х годах появились осциллографы типа Tektronix 513D, 541 and 517 с временным разрешением 8+10 не, позволившие Амину (Amin) [22], Андерсону (Andersson) [23,24], а также Гудсону (Hudson) и Лебу [25,26] выполнить первые правдоподобные наблюдения импульсных токов и излучения стримеров.
Изучая положительную стримерную корону в геометрии точка-плоскость (длина промежутка 5 см) в атмосферном воздухе, Амин зарегистрировал форму стримерных световых сигналов при пространственном разрешении щелевой системы в продольном направлении около 0.5 мм. Щелевая система располагалась так, что только узкая область вдоль оси разрядного промежутка была видна в некоторый момент времени. Оказалось, что длительность сигналов на полувысоте составила 10+40 не. Скорость распространения стримеров изменялась по мере распространения и составила около (2+6)* 107 см/с.
Андсрссон провел тщательные исследования и измерил скорость стримера тем же способом, что и Амин, сделав одну существенную модификацию в разрядном промежутке. Положительные стримеры, создаваемые у анодного острия, проходили сквозь отверстие в плоском катоде, после чего они могли двигаться в плоско-параллельном промежутке к противоположному электроду в однородном поле, величина которого устанавливалась независимо от начального участка «игла-плоскость». Таким способом ему удалось определить минимальное поле, обеспечивающее устойчивое распространение стримеров в
различных газах. Кроме этого, оказалось, что стримеры могут продвигаться на некоторое расстояние даже в отсутствие поля.
Несколько более высокое пространственно-временное и амплитудное разрешение экспериментальной установки, используемой Гудсоном и Лебом, позволило в подобных условиях проведения эксперимента дополнительно обнаружить вторичные стримериые волны. Для более точной интерпретации набора полученных осциллограмм Гудсон и Леб преобразовали их в трехмерную поверхность светимость-пространство-время. Сечение этой поверхности при постоянной пространственной или временной координатах представляло собой временные волны или пространственные профили собственного эмиссионного излучения стримера, соответственно.
Затем были проведены многоплановые исследования различных стадий искровых разрядов в длинных воздушных промежутках, вплоть до 10 м, Галлимберти с соавторами (Gallimberti) [27] и исследовательской группой the Les Renardières Group [28-31]. В этих работах были исследованы различные свойства стримерно-лидерной системы и финальной стадии искры.
В спектроскопических исследованиях стримеров в коротких промежутках с разрешением во времени и пространстве, выполненных Икутой и Кондо (Ikuta and Kondo) [32-33] и Хартманом (Hartmann) [34], были зарегистрированы сигналы излучения стримера в полосах первой отрицательной (ПОС) и второй положительной систем (ВПС) молекулярного азота при разрешении во времени около 3 не и в пространстве около 0.01 мм. Длительность регистрируемых сигналов составила на полувысоте 6+20 не. По результатам анализа было выявлено четыре стримерные волны: первичная, вторичная, отраженная и обратная. Интерпретация отраженной и обратной волны не нашла законченного обоснования, тогда как в отношении свойств первичного и вторичного стримера был выполнен детальный анализ Зигмоидом [35]. Было показано, что вторичный стример представляет собой распространение прилипателыюй неустойчивости Гамильтоиа-Мани в резистивной стадии остаточного (примерного канала. Эта неустойчивость в воздухе атмосферной плотности обусловлена участком с положительным наклоном в функциональной зависимости частоты прилипания электронов к молекулам кислорода как функции электрического поля.
С целью улучшения разрешения, начиная с середины семидесятых годов, были выполнены исследования с применением времени-амплитудпых конвертеров на базе ФЭУ [36-42]. По этой методике набор статистических данных о процессе осуществляется в
20