Оптические и электрические исследования одноэлектродного ВЧ разряда в воздухе в диапазоне частот 0,15 - 1,5 МГЦ

ОГЛАВЛЕНИЕ
I. Введение. 4
И. Глава 1. Обзор литературы. 8
1.1. Корона на постоянном напряжении. 8
1.1.1. Общие представления о коронном разряде. 8
1.1.2. Положительная корона. 14
1.1.3. Отрицательная корона. 20
1.2. Высокочастотная корона. 26
1.2.1. Зависимость порогового напряжения разряда от частоты. 26
1.2.2. Исследования ВЧ короны на смешанном напряжении. 28
1.2.3. Характер накопления объемного заряда. 30
1.2.4. Внешняя форма ВЧ разряда. 34
1.2.5. Время формирования разряда. 35
1.3. Цель и задачи работы. 39
Глава 2. Экспериментальная установка и результаты исследования
характера накопления объемного заряда и пространственно-временных наблюдений за импульсами разряда. 41
2.1. Выбор условий эксперимента. 41
2.2. Экспериментальная аппаратура и методика измерения характеристик объемного заряда. 44
2.2.1. Аппаратура для измерения тока ионов. 44
2.2.2. Результаты измерения характеристик объемного заряда. 46
2.3. Установка для проведения пространственно-временных
наблюдений и результаты исследования. 48
2.3.1. Высокочастотный генератор. 48
2.3.2. Измерение высокого напряжения. 49
2.3.3. Аппаратура для оптических исследований. 53
2.3.4. Регистрация импульсов тока ВЧ разряда. 54
2.3.5. Устройство «линейных ворог». 55
2.3.6. Схема управления. 56
2.4. Внешняя форма и первые импульсы тока и фототока ВЧ разряда. 58
2.4.1. Внешняя форма разряда. 58
2
2.4.2. Наблюдение за импульсами тока и фототока разряда. 62
2.4.3. Исследование предразрядных импульсов. 68
Глава 3. Исследование БЧ разряда на смешанном напряжении. 73
3.1. Методика проведения эксперимента. 73
3.2. Вольг-вольтовые характеристики разряда. 74
3.2.1. Построение вольт-вольтовых характеристик. 74
3.2.2. Общий характер поведения ВВХ. 79
3.2.3. Особенности в поведении ВВХ для различных частот и острий. 83
3.3. Зависимость вероятности возникновения разряда в -+ПП от величины
и полярности постоянной составляющей. 85
Глава 4. Измерение времени формирования предразрядных процессов. 88
4.1. Схема установки и методика измерения. 88
4.2. Результаты эксперимента. 91
4.2.1. Измерение времени формирования. 91
4.2.2. Зависимость вероятности возникновения разряда в +ПП
от перенапряжения. 93
4.3. Выводы по результатам экспериментов. 95
Глава 5. Обсуждение результатов. 98
5.1. Рабочие гипотезы 98
5.1.1. Модель формирования ргізряда на частоте 0,15 МГц. 99
5.1.2. Модель формирования разряда на частоте 1,38 МГ п. 104
5.2. Интерпретация результатов эксперимента. 117
5.2.1. Эксперименты на частоте 0,15 МГц. 117
5.2.2. Эксперименты на частоте 1,38 МГц. 122
III. Заключение. 126
IV. Приложение. 128
V. Список литературы. 130
3
ОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОДНОЭЛЕКТРОДНОГО ВЧ РАЗРЯДА В ВОЗДУХЕ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 0,15-1,5 МГЦ
ВВЕДЕНИЕ.
Электрический разряд в газах давно вышел из сферы чисто научного применения и все шире находит применение в технике, экспериментальной физике и промышленной технологии. Улучшаются и совершенствуются различные приборы для регистрации ионизирующих излучений, широкое применение в технике и физическом эксперименте находят газоразрядные коммутаторы, плазмотроны, магнитогидродинамические и электродинамические генераторы, газоразрядные лазеры. Газовый разряд используется также для создания различных источников спектров с регулируемыми пределами возбуждения и источниками спектра трудно ионизируемых веществ. Расширяющееся применение элекгрический разряд находит в различных процессах и аппаратах электронно-ионной технологии: элекгроокраска, электрофильтры, ксер01рафия, химическое производство и проч. [2, 58, 72, 78-78, 90,93,94, 96, 97, 101, 107, 109, 152, 166].
С друг ой стороны, в народном хозяйстве и технике находит широкое применение различная аппаратура, работающая при высоких напряжениях в широком диапазоне частот: статические преобразователи напряжения, установки для индукционного нагрева и ультразвуковой обработки металлов, аппаратура радио- и телевизионной связи, медицинское оборудование, высоковольтные линии электропередачи и др. Основным видом газовой изоляции в такой аппаратуре, как правило, является воздух. При этом возникновение электрического разряда в газе, т.е. пробой изолятора, нарушают правильное функционирование или даже выводит из строя соответствующую установку 11, 56, 74, 76, 89].
Таким образом, явление электрического разряда в газах проявляется в двух обширных противоречащих друг другу областях: применение электрического разряда и борьба с ним. Это требует как глубоких знаний о физических процессах, приводящих к его возникновению, так и знания зависимости электрической прочности газовых промежутков от различных внешних факторов: геометрических размеров и формы разрядного промежутка, состояния газа и частоты приложенного напряжения и проч. Однако, несмотря на большой поток публикаций по исследова-
4
нию различных аспектов электрического пробоя и большое число направлений этих исследований, в силу того, что газовый разряд характеризуется необычным разнообразием, сложностью и запутанностью явлений и процессов, пока нет однозначного представления о механизме высокочастотного (ВЧ) разряда в газах.
Одной из важных проблем ВЧ разряда, которая не решена до сих пор, является то, что электрическая прочность газовых промежутков понижается с увеличением частоты приложенного напряжения, по сравнению с их электрической прочностью на низкой частоте (50 Гц) или постоянном напряжении. Снижение начального напряжения ВЧ разряда объяснялось искажением внешнего электрического поля, создаваемого напряжением приложенным к разрядному промежутку (РП), нолем положительного объемного заряда (рД накапливающегося внутри РП на частотах больших первой критической частоты (Гсг|). Эксперименты показали, что, наряду с накоплением рь имеет место накопление и отрицательного объемного заряда (р.) внутри разрядного промежутка, причем даже на частотах меньших первой критической частоты. Убедительного объяснения роли отрицательного объемного заряда в механизме формирования ВЧ разряда, на наш взгляд, пока нет.
Исследования высокочастотного электрического разряда в газах в Тартуском государственном университете (Эстония) показали, что первым импульсам, инициирующим развитие ВЧ разряда, предшествуют так называемые предразрядные импульсы, возникающие в момент амплитудного значения приложенного напряжения во время его положительного полупериода (+1111) и также во время его отрицательного полупериода (-ПП). Их амплитуда на 2-3 порядка меньше амплитуды первых импульсов разряда, а по форме импульсов тока и фототока, получаемых с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), они подобны вспышечным импульсам положительной короны постоянного напряжения. Подробное исследование этих импульсов не было проведено. Также до конца не была выяснена их роль в формировании первых импульсов ВЧ разряда.
Целью диссертационной работы являлось экспериментальное исследование характера накопления положительного и отрицательного объемного зарядов внутри разрядного промежутка, проведение сравнительных фотографических наблюдений за внешней формой импульсов короны постоянного напряжения и первых импульсов, инициирующих разряд, изучение закономерности возникновения и пространственно-временного развития как этих импульсов, так и явлений предшествующих их развитию. В работе рассматриваются результаты, полученные только для воз-
5
ду шных газоразрядных промежутков типа острие-плоскость при атмосферном давлении в области первой критической частоты: 0,15 - 1,5 МГц.
Основными задачами работы были следующие:
1. экспериментальное обнаружение и исследование характера накопления положительного и отрицательного объемных зарядов в зависимости от величины приложенного напряжения и его частоты;
2. исследование внешних форм свечения импульсов короны постоянного напряжения и первых импульсов, инициирующих ВЧ разряд, изучение пространственного распределения свечения этих импульсов, а также характер развития во времени предразрядных импульсов, предшествующих ВЧ разряду';
3. проведение сравнительных исследований разрядных явлений во время разнополярных полупериодов (±ПП) ВЧ напряжения и вероятности возникновения разряда в тог или иной полупериоды в зависимости от частоты приложенного напряжения и соотношения между постоянной (и.) и переменной (и.) составляющими, в случае их одновременной подачи на РП, т.е. смешанном напряжении (Уем);
4. изучение вероятности возникновения разряда в положительный (+11П) или отрицательный (-ПП) полупериоды ВЧ напряжения и времени формирования предразрядных процессов в зависимости от частоты и величины напряжения приложенного к разрядному промежутку, превышающем его пороговое значение (Цн), т.е. при перенапряжениях (5, см. ниже);
5. уточнение, по полученным данным, модели возникновения разряда в окрестности первой критической частоты: расшифровка роли накапливающегося положительного и отрицательного объемных зарядов, предразрядных импульсов и характера их развития во времени в формировании первых импульсов ВЧ разряда.
Диссертация состоит из пяти глав:
В разделе 1.1 первой главы рассматриваются общие представления о коронном разряде и основные формы и механизмы развития короны на постоянном напряжении, которые далее обычно привлекаются для объяснения механизма развития ВЧ разряда. В разделе 1.2 представлен обзор материалов по ВЧ короне. Особое внимание уделено результатам по исследованию разряда в окрестности первой критической частоты, где наблюдается резкое снижение порогового напряжения ВЧ разряда по отношению к его значению на постоянном напряжении.
6
В главе 2, во-первых, описаны условия эксперимента и дается их обоснование. Во-вторых, подробно описана экспериментальная установка но измерению величины объемного заряда, накапливающегося в разрядном промежутке, и результаты таких исследований. В-третьих, описана экспериментальная установка и ее возможности по проведению оптических наблюдений, измерению импульсов тока и фототока разряда, а также фототока от предразрядных импульсов. Представлены результаты таких измерений.
В главе 3 приводятся результаты исследования разряда на смешанном напряжении, т.е. при одновременном наложении на разрядный промежуток постоянного и переменного напряжений. Проводится систематизация полученных вольт-вол ьтовых характеристик (ВВХ) разряда. Здесь же приводятся осцишкираммы тока и фототока первых импульсов разряда в зависимости от соотношения переменной и постоянной составляющих смешанного напряжения, а также статистические исследования по вероятности возникновения разряда в тот или иной полупериоды ВЧ напряжения.
В четвертой главе рассматривается возможность измерения времени формирования ВЧ разряда и способ ес реализации. Приведены результаты измерения этого времени от величины перенапряжения на острие (т.е. при напряжениях на острие превышающих величину порогового напряжения разряда) и результаты статистических исследований вероятности возникновения разряда в гот или иной полупериоды ВЧ напряжения.
В пятой главе представлено обсуждение возможных механизмов формирования ВЧ разряда в окрестности первой критической частоты, основанных на детальном анализе полученных результатов. Предполагается существование двух моделей развития разряда: одна из них описывает формирование разряда на частотах меньших первой критической, другая - на частотах больших первой критической. Предложенные модели далее используются для интерпретации результатов экспериментов приведенных в главах 2-4.
Основные материалы приведенные и обсуждаемые в данной диссертации опубликованы в 25 печатных работах (см. приложение).
7
ГЛАВА 1. Обзор литературы.
1.1. Корона на постоянном напряжении.
1.1.1. Общие представления о коронном разряде.
Как известно коронный разряд возникает при высоких давлениях, порядка атмосферного и выше, в резконеоднородных электрических полях, когда приложенного к электродам напряжения недостаточно для искрового пробоя. При этом возбуждение и ионизация газа происходят в тонком слое около электрода с меньшим радиусом кривизны поверхности (или возле обоих электродов), который называют коронирующим слоем, а также активной зоной или зоной ионизации, а сам светящийся внутри разрядного промежутка участок называют чехлом короны. Вне коронирующего слоя, в области которую называют внешней или областью дрейфа, неупругих столкновений не происходит, ток в этой области проходит за счет дрейфового движения электронов или ионов, образованных в коронирующем слое и свечение из этой области разрядного промежутка отсутствует Сила тока в коронном разряде обуславливается не сопротивлением внешней цени, а сопротивлением внешней области разряда [1,9,43, 131, 132].
Для того чтобы разряд в неоднородном поле был самостоятельным, должно выполнятся условие аналогичное условию самостоятельности разряда в однородном электрическом поле, полученное Таунсендом [1,9, 43,45, 89, 131]:
Причем интеїрирование должно проводится вдоль силовой линии от одного электрода до другого. Здесь 1 - путь пройденный лавиной; а - первый коэффициент ионизации Таунсенда, он представляє! собой число ионизаций, осуществляемых на единичном пути вдоль силовой линии электрического поля; у - обобщенный коэффициент вторичной ионизации, учитывающий различные механизмы эмиссии вторичных электронов. Обычно рассматривают чегырс механизма: а) за счет освобождения электронов из катода при ударе о его поверхность положительных ионов начальной лавины (у;); б) за счет фотоэффекта па поверхности катода, осуществляемого излучением из начальной лавины (урЬ); в) за счет фотоионизации в объеме газа излучением лавины (ур&) и г) за счет вырывания электронов из поверхности острия мегастабильными атомами (у™) [9, 54, 60, 131 -134 ].
(1-і)
о
8
Условие самостоятельности (1.1) означает, что в замен каждого ушедшего с катода электрона, созданного внешним источником ионизации, за счет ударной ионизации, т.е. прохождения лавины, и какого-либо вторичного механизма будет- создан хотя бы один новый электрон. Благодаря этому процесс образования лавин не прекратится даже если внешний источник будет устранен.
Хотя коэффициент вторичной ионизации у и зависит от давления газа и напряженности электрического поля, однако диапазон его изменений невелик и с достаточной степенью точности можно считать, что ln(l/y ) = const. Поэтому часто используются другие выражения для условия самостоятельности разряда:
Из этого выражения следует, что для выполнения условия самостоятельности разряда необходимо, чтобы число ионизаций, осуществляемых одним электроном на пути между электродами, было не меньше некоторой определенной величины. Для воздуха при низких давлениях константа в (1.2) принимается равной 4, а при атмосферном давлении - от 8 до 20 [89).
Степень неоднородности электрического поля характеризуется отношением максимальной напряженности поля в промежутке к средней и называется коэффициентом неоднородности электрического поля [16, 59, 62, 130):
Причем среднюю напряженность поля в промежутке Еср обычно определяют как отношение приложенного напряжения и к длине промежутка Ь [59]:
Так как средняя напряженность постоянна при одинаковых приложенном напряжении и длине промежутка, коэффициент неоднородности оказывается пропорциональным максимальной напряженности и может служить мерой отступления данного поля от однородного, параметром, согласно которому поля подразделяются на слабонеоднородные и резконеоднородные [44, 45].
При кн < 4 электрическое поле относится к слобонеоднородному и соответствующие промежутки называют некоронирующими или промежутками со слабонеоднородным полем. Промежутки в которых ки > 4 называются коронирующими или с резконеоднородными ПОЛЯМИ.
Ja dx- ln(l / у)« const = К.
(1.2)
(1.3)
£СР •UtL.
(1.4)
9
В слабонеоднородном поле условие самостоятельности разряда может быть выполнено на длине силовой линии Ьк, лишь ненамного отличающейся от полной длины В. Коронный разряд здесь, хотя и возникает, является неустойчивым и может самопроизвольно перейти в полный пробой промежутка, т.е. здесь начальные и пробивные напряжения практически совпадают.
В случае рсзконсоднородного ноля коронный разряд является устойчивым, а условие самостоятельности выполняется уже на части центральной силовой линии, в очень узкой активной зоне вблизи острия (Ьк « Ь), и соответствующее напряжение называют начальным. Пробивное напряжение будет существенно больше и оно уже определяется не условием самостоятельности разряда, а условием перехода коронного разряда в полный пробой промежутка.
Наконец, при очень малой степени неоднородности поля, при выполнении условия самостоятельности разряда, корона вообще не возникает. Интенсивная ионизация идет по всей длине силовой линии и начальное напряжение, также как и для однородного поля, равно пробивному. Такие поля являются квазиоднородны-ми.
Приведенное выше деление полей на однородные, квазиоднородные, слобо-неоднородные и резконеоднородные является весьма условным и зависит НС только от геометрической формы электродов и длины промежутка, но и от давления газа и его состава.
Как отмечалось выше, коронный разряд принадлежит к числу самостоятельных и условие его возникновения отражает физический механизм воспроизводства электронов в той области усиленного поля, где происходит ионизация. Механизм размножения электронов существенно зависит от полярности коронирующего электрода и, как показали исследования, начальное напряжение также зависит от полярности коронирующего электрода [9, 43, 131-134]. В принципе, в зависимости от геометрии разрядного промежутка, в основном от радиуса кривизны поверхности острия, состава газа и его плотности возможно любое соотношение между этими пороговыми напряжениями.
Некоторые авторы отмечают, что начальное напряжение при положительной полярности коронирующего электрода несколько больше, чем при отрицательной и объясняют это тем, что при развитии разряда с отрицательного электрода коэффициент вторичной ионизации / больше, чем при положительной полярности, поскольку в этом случае его значение определяется, помимо фотоионизации в объеме
ю
газа, еще и фотоионизацией на электроде (фотоэффектом) [54, 131]. Однако во многих работах приводится и обратное соотношение между начальными напряжениями положительной и отрицательной короны [6, 8, 9]. Незначительное отличие в потенциалах зажигания для положительной и отрицательной корон в воздухе может быть объяснено тем, что в воздухе как в случае отрицательной короны, так и в случае положительной короны основную роль, чаще всего, играет фогоионизация, т.е. один и тот же процесс обеспечивает образование вторичных электронов.
Если коронирующий электрод является катодом, то такую корону называют отрицательной, если анодом - положительной.
Развитие разряда в неоднородном поле отличается от однородного[199]:
а) в различных участках промежутка могут действовать различные механизмы (например, прилипание электронов в слабом поле и его отрыв в сильном);
б) накопление объемного заряда может серьезно ослабить распространение разряда, в противоположность однородному полю, где, за исключением маловажного факта задержки объемного заряда в головке лавины [51], такое накопление ускоряет процесс пробоя;
в) объемный заряд может1 приводить к частичному пробою изоляционных свойств газа без получения больших величин разрядного тока или, для давления выше нескольких десятков Тор, без искрового пробоя;
г) в неоднородном поле порог искры может быть во много раз выше, чем порог для самостоятельного разряда типа таунсендовского, в противоположность однородному нолю, где эти пороги примерно совпадают;
д) зависимость первого коэффициента ионизации Таунсенда от величины элекгрического поля в заданной точке, а[Е(х)], может- отличаться от величины для однородного поля.
Коронный разряд, благодаря условиям его возникновения, значительно более сложный объект для изучения чем разряд в однородном поле: интервал значений Е и, таким образом, параметров разрядных процессов, для одного промежутка часто очень велики в различных точках разрядного промежутка. Формы существования короны чрезвычайно разнообразны и, с этой точки зрения, при исследовании коронных разрядов возникают большие сложности у экспериментаторов, экспертов диагностики и создателей расчетных моделей [45, 50, 67-69].
При некоторых условиях коронный разряд, несмотря на постоянство напряжения, горит в виде периодических импульсов тока с частотами повторения до 104
и
I
Гц, если коронируст анод, и 106 Гц если катод. Прерывистые явления как в положительной, так и отрицательной короне были обнаружены в лаборатории Л.Б. Ле-ба. Леб и его школа внесли большой вклад в изучение искрового и коронного разряда 143, 131].
Некоторые разрядные явления являются специфическими и исключительно важными для короны. Строительными блоками всех корон на постоянном и переменном напряжении, как и большинства других разрядов, являются таунсендов-ские электронные лавины. Пусть Ыс0 - число электронов, освобождаемых в газе с концентрацией п, в элекгрическом поле Ё(г). Они будут дрейфовать в электрическом поле со скоростью V, = -цгЕ вдоль его силовой линии, каждый создавая а новых пар электронов и положительных ионов и испытывая т) прилипаний на единице длины дрейфа (77 - коэффициент прилипания электронов к нейтральным атомам или молекулам). Кроме того, большое количество нейтральных частиц будет возбуждено в метастабильнос состояние.
Тогда число электронов бЫе создаваемых на пути дрейфа с!г будет равно
= N '(а - г])с1г = Меа^с1гу где г/ (1.5)
Интегрирование этого уравнения дает полное число электронов в лавине
г
N0(0 = N,0 ехр( /а^фЛ-) з Ме0М. (1.6)
г0
а.3фф - называется эффективным коэффициентом ионизации и при значении = 0 кривые <7..,фф(Е) определяют критическое значение поля Е;, при котором ионизация прекращается ( для воздуха Е| = 24,5 кВ/см и для сухого воздуха Е; = 28 кВ/см по [3, 13, 89]). Величина М = ехр( \а.н^6г), называемая электронным умно-
^ о
жением, может легко достигать значений 10 -10 в области ионизации. Однако для того, чтобы процесс образования лавин не прекратился, был самостоятельным, необходимо наличие вторичных ионизационных процессов, характеризуемых коэффициентом у, о котором говорилось выше.
При изучении коронного разряда необходимо учитывать следующее:
а) хотя а и азН как функции Е для многих газов известны, тем не менее
очень общие представления транспортных коэффициентов как функций только локальных электрических полей становятся сомнительными в очень сильных или очень неоднородных полях. Таким образом, во многих коронах, усиление в области
12