Условия подобия для катодонаправленного стримера в системе электродов игла-плоскость
Сформулированы соотношения подобия для стримерных разрядов в воздухе. При соблюдении соотношений подобия экспериментально исследованы пространственно-временные, электродинамические и спектроскопические характеристики катодонаправленного стримера в воздухе при давлениях от 1 до 3 атм. Показано, что п...
Gespeichert in:
| Datum: | 2010 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2010
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17044 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Условия подобия для катодонаправленного стримера в системе электродов игла-плоскость / О.В. Болотов, В.И. Голота, Б.Б. Кадолин, В.И. Карась, В.Н. Остроушко, Л.М. Завада, А.Ю. Шулика // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 3. — С. 188-193. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-17044 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Болотов, О.В. Голота, В.И. Кадолин, Б.Б. Карась, В.И. Остроушко, В.Н. Завада, Л.М. Шулика, А.Ю. 2011-02-18T13:05:31Z 2011-02-18T13:05:31Z 2010 Условия подобия для катодонаправленного стримера в системе электродов игла-плоскость / О.В. Болотов, В.И. Голота, Б.Б. Кадолин, В.И. Карась, В.Н. Остроушко, Л.М. Завада, А.Ю. Шулика // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 3. — С. 188-193. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17044 533.521 Сформулированы соотношения подобия для стримерных разрядов в воздухе. При соблюдении соотношений подобия экспериментально исследованы пространственно-временные, электродинамические и спектроскопические характеристики катодонаправленного стримера в воздухе при давлениях от 1 до 3 атм. Показано, что при сохранении произведения давления p на межэлектродное расстояние d и напряжения U на разрядном промежутке неизменными, развитие разрядов происходит подобным образом. Проведен анализ спектров излучения второй положительной системы азота в диапазоне длин волн 300…400 нм в воздухе при давлениях от 1 до 3 атм. Установлено, что профиль наблюдаемых полос излучения остаётся неизменным, а относительная интенсивность исследуемых спектральных линий, соответствующих переходам азота из состояния С^3Пu в В^3Пg, сохраняется. Сформульовано співвідношення подібності, які дозволили порівнювати струмові характеристики розряду та динаміку поширення стримера при різних тисках. Показано, що існує діапазон тисків, в якому розвиток розрядів відбувається подібним чином при збереженні незмінними добутку p x d та напруги U на розрядному проміжку. Зареєстровані спектри випромінювання другої позитивної системи азоту у діапазоні довжин хвиль 300…400 нм у повітрі при тисках від 1 до 3 атм. Встановлено, що у всьому досліджуваному діапазоні тисків профіль спостережених смуг випромінювання залишається практично незмінним, а відносна інтенсивність досліджуваних спектральних ліній, які відповідають переходам азоту зі стану С^3Пu до В^3Пg, зберігається. It is experimentally shown that in a pressures range 1…3 atm in air at performance of similarity ratio for a streamer discharge the development dynamics of streamers is also similar. In particular, at a voltage equal 14 kV and preservation p x d = 15 atm mm steady development of streamers in all range of researched pressure was observed, thus the distributions of a streamer strυ measured average velocity remained constants. Spectra of radiation of the second positive system of nitrogen are registered in a range of of wavelengths of 300…400 nm. It is established, that in all range of pressure the structure of observable spectral lines of radiation is constant, and relative intensity of spectral lines, corresponding to transitions of nitrogen from state С^3Пu in В^3Пg, is kept. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Применение ускорителей Условия подобия для катодонаправленного стримера в системе электродов игла-плоскость Умови подібності катодоспрямованого стримера у системі електродів голка-площина Similarity conditions for cathode-directed streamer in needle-plane electrode system Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Условия подобия для катодонаправленного стримера в системе электродов игла-плоскость |
| spellingShingle |
Условия подобия для катодонаправленного стримера в системе электродов игла-плоскость Болотов, О.В. Голота, В.И. Кадолин, Б.Б. Карась, В.И. Остроушко, В.Н. Завада, Л.М. Шулика, А.Ю. Применение ускорителей |
| title_short |
Условия подобия для катодонаправленного стримера в системе электродов игла-плоскость |
| title_full |
Условия подобия для катодонаправленного стримера в системе электродов игла-плоскость |
| title_fullStr |
Условия подобия для катодонаправленного стримера в системе электродов игла-плоскость |
| title_full_unstemmed |
Условия подобия для катодонаправленного стримера в системе электродов игла-плоскость |
| title_sort |
условия подобия для катодонаправленного стримера в системе электродов игла-плоскость |
| author |
Болотов, О.В. Голота, В.И. Кадолин, Б.Б. Карась, В.И. Остроушко, В.Н. Завада, Л.М. Шулика, А.Ю. |
| author_facet |
Болотов, О.В. Голота, В.И. Кадолин, Б.Б. Карась, В.И. Остроушко, В.Н. Завада, Л.М. Шулика, А.Ю. |
| topic |
Применение ускорителей |
| topic_facet |
Применение ускорителей |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Умови подібності катодоспрямованого стримера у системі електродів голка-площина Similarity conditions for cathode-directed streamer in needle-plane electrode system |
| description |
Сформулированы соотношения подобия для стримерных разрядов в воздухе. При соблюдении соотношений подобия экспериментально исследованы пространственно-временные, электродинамические и спектроскопические характеристики катодонаправленного стримера в воздухе при давлениях от 1 до 3 атм. Показано, что при сохранении произведения давления p на межэлектродное расстояние d и напряжения U на разрядном промежутке неизменными, развитие разрядов происходит подобным образом. Проведен анализ спектров излучения второй положительной системы азота в диапазоне длин волн 300…400 нм в воздухе при давлениях от 1 до 3 атм. Установлено, что профиль наблюдаемых полос излучения остаётся неизменным, а относительная интенсивность исследуемых спектральных линий, соответствующих переходам азота из состояния С^3Пu в В^3Пg, сохраняется.
Сформульовано співвідношення подібності, які дозволили порівнювати струмові характеристики розряду та динаміку поширення стримера при різних тисках. Показано, що існує діапазон тисків, в якому розвиток розрядів відбувається подібним чином при збереженні незмінними добутку p x d та напруги U на розрядному проміжку. Зареєстровані спектри випромінювання другої позитивної системи азоту у діапазоні довжин хвиль 300…400 нм у повітрі при тисках від 1 до 3 атм. Встановлено, що у всьому досліджуваному діапазоні тисків профіль спостережених смуг випромінювання залишається практично незмінним, а відносна інтенсивність досліджуваних спектральних ліній, які відповідають переходам азоту зі стану С^3Пu до В^3Пg, зберігається.
It is experimentally shown that in a pressures range 1…3 atm in air at performance of similarity ratio for a streamer discharge the development dynamics of streamers is also similar. In particular, at a voltage equal 14 kV and preservation p x d = 15 atm mm steady development of streamers in all range of researched pressure was observed, thus the distributions of a streamer strυ measured average velocity remained constants. Spectra of radiation of the second positive system of nitrogen are registered in a range of of wavelengths of 300…400 nm. It is established, that in all range of pressure the structure of observable spectral lines of radiation is constant, and relative intensity of spectral lines, corresponding to transitions of nitrogen from state С^3Пu in В^3Пg, is kept.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17044 |
| citation_txt |
Условия подобия для катодонаправленного стримера в системе электродов игла-плоскость / О.В. Болотов, В.И. Голота, Б.Б. Кадолин, В.И. Карась, В.Н. Остроушко, Л.М. Завада, А.Ю. Шулика // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 3. — С. 188-193. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT bolotovov usloviâpodobiâdlâkatodonapravlennogostrimeravsistemeélektrodoviglaploskostʹ AT golotavi usloviâpodobiâdlâkatodonapravlennogostrimeravsistemeélektrodoviglaploskostʹ AT kadolinbb usloviâpodobiâdlâkatodonapravlennogostrimeravsistemeélektrodoviglaploskostʹ AT karasʹvi usloviâpodobiâdlâkatodonapravlennogostrimeravsistemeélektrodoviglaploskostʹ AT ostrouškovn usloviâpodobiâdlâkatodonapravlennogostrimeravsistemeélektrodoviglaploskostʹ AT zavadalm usloviâpodobiâdlâkatodonapravlennogostrimeravsistemeélektrodoviglaploskostʹ AT šulikaaû usloviâpodobiâdlâkatodonapravlennogostrimeravsistemeélektrodoviglaploskostʹ AT bolotovov umovipodíbnostíkatodosprâmovanogostrimerausistemíelektrodívgolkaploŝina AT golotavi umovipodíbnostíkatodosprâmovanogostrimerausistemíelektrodívgolkaploŝina AT kadolinbb umovipodíbnostíkatodosprâmovanogostrimerausistemíelektrodívgolkaploŝina AT karasʹvi umovipodíbnostíkatodosprâmovanogostrimerausistemíelektrodívgolkaploŝina AT ostrouškovn umovipodíbnostíkatodosprâmovanogostrimerausistemíelektrodívgolkaploŝina AT zavadalm umovipodíbnostíkatodosprâmovanogostrimerausistemíelektrodívgolkaploŝina AT šulikaaû umovipodíbnostíkatodosprâmovanogostrimerausistemíelektrodívgolkaploŝina AT bolotovov similarityconditionsforcathodedirectedstreamerinneedleplaneelectrodesystem AT golotavi similarityconditionsforcathodedirectedstreamerinneedleplaneelectrodesystem AT kadolinbb similarityconditionsforcathodedirectedstreamerinneedleplaneelectrodesystem AT karasʹvi similarityconditionsforcathodedirectedstreamerinneedleplaneelectrodesystem AT ostrouškovn similarityconditionsforcathodedirectedstreamerinneedleplaneelectrodesystem AT zavadalm similarityconditionsforcathodedirectedstreamerinneedleplaneelectrodesystem AT šulikaaû similarityconditionsforcathodedirectedstreamerinneedleplaneelectrodesystem |
| first_indexed |
2025-11-25T20:37:27Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:37:27Z |
| _version_ |
1850526965192196096 |
| fulltext |
УДК 533.521
УСЛОВИЯ ПОДОБИЯ ДЛЯ КАТОДОНАПРАВЛЕННОГО СТРИМЕРА
В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОДОВ ИГЛА-ПЛОСКОСТЬ
О.В. Болотов, В.И. Голота, Б.Б. Кадолин, В.И. Карась, В.Н. Остроушко, Л.М. Завада,
А.Ю. Шулика
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина
E-mail: golota@kipt.kharkov.ua
Сформулированы соотношения подобия для стримерных разрядов в воздухе. При соблюдении соотно-
шений подобия экспериментально исследованы пространственно-временные, электродинамические и спек-
троскопические характеристики катодонаправленного стримера в воздухе при давлениях от 1 до 3 атм. По-
казано, что при сохранении произведения давления p на межэлектродное расстояние d и напряжения U на
разрядном промежутке неизменными, развитие разрядов происходит подобным образом. Проведен анализ
спектров излучения второй положительной системы азота в диапазоне длин волн 300…400 нм в воздухе при
давлениях от 1 до 3 атм. Установлено, что профиль наблюдаемых полос излучения остаётся неизменным, а
относительная интенсивность исследуемых спектральных линий, соответствующих переходам азота из со-
стояния С3Пu в В3Пg, сохраняется.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время большое внимание уделяется
изучению газовых разрядов атмосферного давления,
так как они находят широкое применение во многих
плазмохимических технологиях [1,2]. При исследо-
вании либо применении газовых разрядов часто
приходится использовать соотношения подобия,
основанные на размерных преобразованиях. Инва-
рианты подобия очень полезны как при проведении
экспериментов, так и при построении моделей.
Обычно вместо расчетов всех величин, характери-
зующих разряд, рассчитывают (либо измеряют) ин-
варианты, чем значительно облегчают задачу иссле-
дований. Соотношения подобия позволяют, в част-
ности, использовать известные свойства разряда при
одном давлении газа для прогнозирования характе-
ристик разряда при различных других интересую-
щих давлениях. Стоит отметить, что в физике сла-
боионизованной плазмы соотношения подобия [3,
с.306, (3)] хорошо определены для идентификации
параметров плазмы газового разряда при разных
давлениях. Однако, несмотря на достаточно боль-
шое количество статей, посвященных соотношени-
ям подобия в разрядах, а также их детальное обсуж-
дение [4-7], до сих пор встречаются достаточно про-
тиворечивые суждения о подобии стримерных раз-
рядов. Прежде всего это связано с множеством как
экспериментальных, так и теоретических результа-
тов, которые получены и проанализированы без со-
поставления между собой. В связи с этим проведе-
ние теоретического анализа, формулировка экспе-
римента, обобщение и анализ полученных результа-
тов должны стать объктом исследований в рамках
одной работы. Это позволит выделить наиболее
важные задачи и особенности при исследованиях
законов подобия для разрядов.
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2010. № 3.
Series: Nuclear Physics Investigations (54), p.188-193.
188
2. УСЛОВИЯ ПОДОБИЯ
В самом общем виде газовый разряд описывает-
ся системой кинетических уравнений Больцмана и
уравнений Максвелла для электромагнитного поля.
Поэтому при определении законов преобразования
физических величин, характеризующих разряд, сле-
дует исходить из требования инвариантности урав-
нений Больцмана и уравнений поля. В работе [4]
дано общее определение для подобия физических
явлений: разряды называются подобными, если фи-
зические величины G(r, t) в пространственно-
временных точках, связанных линейным преобразо-
ванием
rsr
rr
=′ , , (1) stt =′
также выражаются с помощью линейного преобра-
зования
( ) [ ] ( trGstrG G ,, )vr γ=′′ , (2)
[ ]Gγ − называется показателем подобия.
Из (1) и (2) следует, что [ ] 0=υγ , т.е. при преоб-
разованиях (1) скорости частиц υ
r
одинаковы. Это,
в свою очередь, приводит к выводу о том, что функ-
ции распределения частиц всех сортов инвариантны
в подобных разрядах. Поэтому вместо приведенного
выше можно пользоваться следующим определени-
ем подобия разрядов (указанным в [4]): два разряда
называются подобными, если при преобразовании
(1) нормированные функции распределения частиц
всех сортов ( )trfk ,,υ
rr
по скоростям инвариантны.
Заметим, что для полного подобия разрядов не-
достаточно использовать соотношения подобия для
величин в объеме, подобными должны быть и гра-
ничные условия для функций распределения частиц
и компонент электромагнитного поля. Именно гра-
ничные условия приводят к необходимости сохра-
нять подобие для длины межэлектродного проме-
жутка и радиуса кривизны острийного электрода.
Однако, как будет видно из дальнейшего рассмотре-
ния, в режиме катодонаправленных стримеров нет
необходимости сохранять подобие для радиуса кри-
визны острийного электрода, что подтверждается
как численными расчетами, так и результатами на-
ших экспериментальных исследований.
При распространении катодонаправленного
стримера газ является слабоионизованным, а следо-
вательно, можно пренебречь столкновениями заря-
женных частиц между собой по сравнению с их
столкновениями с нейтральными частицами. По-
скольку операторы , t∂∂ / rr∂∂ / и υr∂∂ / при преоб-
разованиях (1) имеют следующие показатели подо-
бия: [ ]/ tγ ∂ ∂ [ ] 1/ −=∂∂= rrγ , [ ] 0/ =∂∂ υγ r , то для ин-
вариантности левой и правой частей кинетического
уравнения Больцмана получим γ [E]= −1. Дополняя
требованиями инвариантности уравнений Максвел-
ла для поля, получим следующие инвариантные со-
отношения:
NE / , , 2
, / Nn ie eε , , 2/ Nj strυ , , (3) 2/ Nρ
где E
r
− напряженность электрического поля; −
плотность частиц сорта k; индексы e,i относятся к
электронам и ионам; N − плотность нейтральных
частиц;
kn
eε − энергия, получаемая электроном от
электрического поля между столкновениями; strυ −
скорость стримера; ρ,j − плотность тока, заряда,
соответственно (они подобны соотношениям для
плотностей частиц, так как скорости являются инва-
риантами).
В работе [7], основываясь на экспериментальном
исследовании развития стримерного разряда при
повышенных давлениях в воздухе, были сформули-
рованы соотношения подобия. Исследования пока-
зали, что для сохранения подобия в развитии стри-
меров при различных давлениях достаточно при
одинаковых значениях напряжения на разрядном
промежутке поддерживать постоянными не только
произведение , но и произведение (давления
и радиуса кривизны игольчатого анода). Однако
численные расчеты [8,9] свидетельствуют о наличии
у стримера некоторого внутреннего масштаба, кото-
рый не определяется радиусом острийного электро-
да
pd pr
r , поэтому в соотношения подобия не должен
входить приведенный радиус острийного электрода.
Радиус кривизны электрода выбран так, что во всем
диапазоне исследуемых давлений распространяются
только замыкающие промежуток стримеры. Его не
следует менять в соответствии с выражением
, так как он в данном случае не является па-
раметром подобия (из-за наличия внутреннего мас-
штаба стримера) и его изменение с давлением как
раз приведет к отклонению от законов подобия, в
частности, изменению средней скорости стримера.
Поэтому для сохранения подобия в развитии стри-
меров при различных давлениях достаточно при
одинаковых значениях напряжения на разрядном
промежутке поддерживать постоянным произведе-
ние , т.е. выполнять следующие условия:
NrN /0
pd
189
constUconstpEconstpd === ,/, . (4)
В соответствии с условиями подобия временные
и пространственные масштабы стримеров, элект-
ронная плотность ведут себя с изменением плотнос-
ти воздуха как ~ , ~ и ~ [10] соответст-
венно; характерные масштабы стримера остаются
идентичными для тех же значений редуцированного
электрического поля . Использование соотно-
шений подобия значительно облегчает исследование
свойств разрядов как при расчетах, так и при прове-
дении экспериментов.
1−N 1−N 2N
NE /
В последние два десятилетия стали широко про-
водиться [10-14] двумерные моделирования стри-
мерного разряда в неоднородных полях в воздухе. В
ранних работах [15] при моделировании стримерно-
го разряда не учитывалось влияние фотоионизации
газа, что приводило к несоответствию получаемых
характерных пространственных масштабов с экспе-
риментально наблюдаемыми геометрическими раз-
мерами стримера. Только в недавних работах [8,9]
по моделированию стримера установлено, что су-
ществует внутренний пространственный масштаб,
который определяется процессом фотоионизации
газа. В работе [9] сделано предположение, что фо-
тоионизация играет важную роль в динамике стри-
мера и длина поглощения фотоионизирующего из-
лучения определяет характерную ширину ионизо-
ванной области вокруг головки стримера. Другими
словами, фотоионизация вводит пространственный
масштаб и нелокальность в проблему стримера из-за
того, что фотоионизация в заданной точке возникает
благодаря излучению, приходящему со всего плаз-
менного объема.
При математическом моделировании распро-
странение стримера обычно (см., например, [11-16])
описывается следующей осесимметричной системой
уравнений (дрейфово-диффузионное приближение):
( )1 ere ez
ph i att e
rJn J S S S L
t r r z
∂∂ ∂
p+ + = + − −
∂ ∂ ∂
,
eppniph
p LLSS
t
n
−−+=
∂
∂
, pnatt
n LS
t
n
−=
∂
∂ ,
( )4 p e nU e n n nπΔ = − − − ,
e e e e eJ D n Enμ= − ∇ −
r r
, (5)
где eJ
r
− электронный поток (плотность тока, делен-
ная на абсолютную величину заряда электрона e) с
компонентами { }; − напряженность
электрического поля; U – потенциал; n − плотность
частиц; D и μ − коэффициент диффузии и подвиж-
ность, соответственно. Индексы e, p, n относятся к
электронам, положительным и отрицательным ио-
нам соответственно. Для коротких стримеров, когда
время распространения стримера не превышает не-
сколько десятков наносекунд, можно пренебречь
движением ионов из-за их малой подвижности. Чле-
ны в правых частях уравнений (5) описывают про-
цессы наработки заряженных частиц.
,er ezJ J UE −∇=
r
)/( ddiph pppSS +∝ − скорость рождения электрон-
но-ионных пар, благодаря фотоионизации в объеме
газа (pd ≈ 40 Торp для воздуха); eei EnS αμ= − скоро-
сть столкновительной ионизации (α – коэффициент
ионизации Таунсенда); − скорость прилипания
электронов к молекулам электроотрицательного
газа; , − скорости рекомбинации электронов
с положительными ионами, положительных и отри-
цательных ионов соответственно. Видно, что при
низких (
attS
epL pnL
Dpp << ) давлениях слагаемые Sph и Si удов-
летворяют условиям подобия, так как их учет не
нарушает инвариантности уравнений непрерывно-
сти относительно преобразований подобия, при по-
вышенных же давлениях скорость фотоионизации
Sph содержит по N на одну степень больше, чем ос-
тальные слагаемые уравнений непрерывности, что
приводит к нарушению подобия. Слагаемые Satt, Lep
и Lpn описывают столкновения заряженных частиц,
поэтому их учет нарушает условия подобия, полу-
ченные из условий превалирования столкновений с
нейтральными частицами. Перед головкой стримера
и в ее внутренней области членами Satt, и
можно пренебречь [5,6]. Они влияют на распределе-
ния зарядов и полей, поэтому в плазменном канале и
для описания стадии распространения коротких
стримеров (порядка 1 см) их ролью можно пренеб-
речь. Однако, эти члены являются одними из основ-
ных для описания периодической последовательно-
сти стримеров, когда протекают процессы релакса-
ции объемного заряда.
epL pnL
Если эффекты фотоионизации можно не прини-
мать во внимание, вышеуказанные инварианты по-
добия (3) работают очень хорошо для характерис-
тик, описывающих короткие стримеры при низких
давлениях (десятки Торр, т.е. когда трехтельным
прилипанием, рекомбинацией, нагревом газа и про-
цессами теплопроводности можно пренебречь). При
более высоких давлениях газа, когда существенны-
ми становятся процессы прилипания, рекомбинации
и фотоионизации происходит нарушение законов
подобия [4] для разрядов, так как в них играют роль
либо тройные (а не парные) соударения, либо
столкновения заряженных частиц между собой. Эти
представления возникают в соответствии с послед-
ними экспериментальными исследованиями свойств
подобия положительных стримеров при различных
давлениях в воздухе [7]. Предварительная работа [5]
продемонстрировала, что процесс фотоионизации
является наиболее критичным фактором, приводя-
щим к отклонению от законов подобия для стриме-
ров, распространяющихся в сильных однородных
электрических полях (> , где − пороговое по-
ле пробоя, определяемое равенством коэффициен-
тов ионизации и диссоциативного прилипания в
воздухе [3, с.135]). Поэтому основной задачей дан-
ной работы было определение экспериментальных
условий, при которых возможно реализовать подо-
бие в развитии разрядов при различных давлениях.
Для нахождения режима, при котором для разрядов
выполняются законы подобия [4], экспериментально
определялось влияние давления на скорость распро-
странения стримера в разрядном промежутке, спек-
тральные характеристики излучения из генерацион-
ной зоны разряда, электродинамические характери-
стики разряда.
cE cE
3. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для проведения экспериментов по исследованию
стримерного разряда требуется выполнение условий
устойчивого режима горения разряда во всём иссле-
дуемом диапазоне давлений [10]. Для реализации
устойчивого режима горения разряда перед прове-
дением экспериментов производилась специальная
обработка игольчатого и плоского электродов. Ус-
тойчивое горение разряда характеризуется повто-
ряемостью формы токового импульса и частоты
следования токовых импульсов, регистрируемых во
внешней цепи.
Исследования стримерного разряда при повы-
шенных давлениях в воздухе проводились на уста-
новке, принципиальная схема которой представлена
на Рис.1.
Рис.1. Схема экспериментальной установки:
1 – балластный резистор 130 кОм; 2 – разрядная
камера; 3 – монохроматор; 4 – фотоэлектронный
умножитель (ФЭУ) Hamamatsu R9110; 5 – источ-
ник питания ФЭУ- power supply Hamamatsu C4900;
6 – емкостной фильтр напряжения 1000 пФ;
7 – высоковольтный щуп LeCroy PPE20kV; 8 – мик-
роамперметр М906; 9 – АЦП; 10 – осциллограф;
11 – компьютер; 12 – кварцевый конденсор;
13 – компрессор Fiac F 205; 14 – ротаметр; 15 – газо-
провод; 16,17 – натекатели; 18 – манометр;
19 – кварцевое окно; 20 – высоковольтный стабили-
зированный источник питания
Из проведенного выше анализа следует, что для
сохранения подобия в развитии стримеров при раз-
личных давлениях достаточно выполнять условия (4).
В экспериментах для каждого значения напряжения
из исследуемого диапазона и при постоянном произ-
ведении pd снимались осциллограммы токовых им-
пульсов разряда, измерялась частота 1
strT − следования
импульсов тока, проводилась регистрация спектров
излучения разряда, а также регистрировались профи-
ли отдельных полос излучения. При этом особое
внимание уделялось исследованию изменения формы
токовых импульсов разряда с ростом давления.
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Осциллограммы токовых импульсов дают ин-
формацию о режиме горения разряда. Известно, что
стримерный разряд может существовать в двух ре-
жимах [1], определяемых величиной напряжения,
приложенного к разрядному промежутку: в режиме
замыкающего разрядный промежуток стримера и в
режиме незамыкающего разрядный промежуток
стримера. Форма токового импульса, формирование
которого обусловлено распространением стримера,
является хорошим показателем при наблюдении за
изменением режима горения разряда. Для установ-
ления соотношений подобия важным является, что-
бы развитие стримерного разряда происходило в
190
одинаковом режиме при разных давлениях, поэтому
экспериментально были определены условия, при
которых катодонаправленные стримеры во всем
диапазоне давлений замыкали разрядный промежу-
ток, т.е. разряд находился в одном и том же режиме.
Проведенный анализ формы токовых импульсов
показал, что при напряжении 14 кВ происходит ус-
тойчивое распространение замыкающих стримеров.
При напряжениях 8, 10 и 12 кВ замыкающие стри-
меры с увеличением давления сменяются незамы-
кающими разрядный промежуток, т.е. происходит
смена режима горения разряда. В частности, при
напряжении 8 кВ только при атмосферном давлении
стример замыкает разрядный промежуток, а увели-
чение давления до 1,5 атм и выше приводит к пере-
ходу разряда в режим незамыкающих стримеров.
Поэтому эксперименты проводились при напряже-
нии на разрядном промежутке 14 кВ для диапазона
давлений от 1 до 3 атм (Рис.2). Межэлектродное
расстояние изменялось в диапазоне от 5 до 15 мм,
что позволяло поддерживать во всех экспериментах
постоянным произведение p⋅d= 15 мм·атм.
В результате анализа токовых импульсов, при-
веденных на Рис.2, установлено, что при напряже-
нии U=14 кВ средняя скорость стримера остаётся
постоянной независимо от величины давления и
составляет величину около (2…3,5)⋅107 см/с. Также
показано, как и в [5], что произведения и strpT
pITQp str= (Tstr – период следования токовых им-
пульсов, Q –полный заряд, переносимый за им-
пульс) тоже остаются постоянными. Сохранение
произведения следует из сохранения среднего
за импульс тока I, который контролировался в экс-
периментах, и из постоянства произведения рT
Qp
str.
Анализ осциллограмм токовых импульсов показы-
вает, что в данных экспериментальных условиях
разряд существует в форме стримеров, замыкающих
разрядный промежуток, и для разрядов сохраняются
инварианты (3) во всём рассматриваемом диапазоне
давлений, что, в свою очередь, свидетельствует о
выполнении законов подобия [3]. Важно отметить,
что сохранение средней скорости стримера проис-
ходит только в режиме, при котором во всём диапа-
зоне давлений наблюдается устойчивое развитие
замыкающих стримеров.
При повышении давления из-за тушения синг-
летных состояний возбужденного азота )( 3
2 uCN Π
(в результате трехтельных соударений, см. [13,18])
интенсивность фотоионизующего излучения падает
обратно пропорционально давлению. Напомним,
что быстрое изменение тока перед замыканием про-
межутка обусловлено фотоэмиссией из катода. При
сохраняющейся неизменной глубине поглощения
фотонов материалом катода по такому же закону
будет спадать фотоэмиссионный ток, приводя к
уменьшению максимальной амплитуды импульсов
тока при увеличении давления, что и наблюдается
на осциллограммах.
a
б
в
Рис.2. Осциллограммы импульсов тока разряда
(СН1) и напряжения на разрядном промежутке
(СН2) при различных давлениях в воздухе:
p=1 aтм, d=15 мм, U=14 кВ, I=55 мкA,
Tstr=107 мкс (a); p=2 aтм, d=7,5 мм,
U=13,95 кВ, I=50 мкA, Tstr=55мкс (б); p=3 aтм,
d=5 мм, U=14 кВ, I=50 мкA, Tstr=33 мкс (в)
5. ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ РАЗРЯДА
Спектроскопические исследования излучения
разряда могут дать информацию не только о ло-
кальных характеристиках разряда (в частности, о
функции распределения электронов), но и позволя-
ют проследить динамику их изменения во времени.
Объектами для исследований характеристик из-
лучения разряда являлись полосы излучения 2-й
положительной системы азота, которые легко появ-
ляются в стримерном разряде в воздухе. Регистра-
ция спектрального состава излучения проводилась в
диапазоне длин волн 300…400 нм. Выбор диапазона
обусловлен наличием интенсивных линий излуче-
ния второй положительной системы азота [17,18],
которые являются удобными объектами для иссле-
дований. При каждом значении давления исследуе-
мого диапазона регистрировалась форма наиболее
интенсивных спектральных линий, снимались ос-
циллограммы токовых импульсов разряда, измеря-
лась частота следования импульсов тока. Регистра-
ция излучения проводилась из прианодной (на рас-
стоянии ~1 мм от поверхности острийного анода)
области разрядного промежутка, интенсивность из-
лучения которой максимальна по отношению к ин-
тенсивности излучения из остальных областей раз-
рядного промежутка.
191
В результате проведенных исследований спек-
трального состава излучения разряда были зареги-
стрированы спектры излучения, соответствующие
второй положительной системе азота (переход С3Пu-
В3Пg). Для более детального анализа в эксперимен-
тах отдельно регистрировалась форма наиболее ин-
тенсивных полос излучения 2-й положительной сис-
темы азота. В качестве исследуемых спектральных
линий были выбраны линии, соответствующие сле-
дующим длинам волн переходов азота из состояния
С3Пu в В3Пg: 1) λ =337.1 нм, переход (0-0);
2) 357.6 нм, переход (0-1); 3) 315.7 нм, переход (1-0).
Выбор указанных линий был обусловлен целью ис-
следовать особенности заселения различных коле-
бательных уровней молекулы азота в условиях экс-
перимента (Рис.3).
Рис.3. Профили полосы излучения 2-й положитель-
ной системы азота для различных давлений в возду-
хе. Исследуемый переход С3Пu-В3Пg (0-0).
Напряжение на разрядном промежутке
U=14,05 кВ; p⋅d =15 атм·мм;
средний ток разряда Iср=50 мкА
Из рассмотрения Рис.3 следует, что во всём ис-
следуемом диапазоне давлений профиль наблюдае-
мых полос излучения остаётся практически неиз-
менным, при этом небольшие различия в интенсив-
ности полос излучения связаны с малым отклонени-
ем от устойчивого режима горения разряда.
ВЫВОДЫ
Сформулированы условия подобия для стример-
ных разрядов, что позволяет сравнивать токовые
характеристики разряда и динамику распростране-
ния стримера при различных давлениях.
Экспериментально показано, что в диапазоне
давлений 1…3 атм в воздухе при выполнении соот-
ношений подобия для стримерного разряда динами-
ка развития стримеров является также подобной. В
частности, при приложении к разрядному проме-
жутку напряжения, равного 14 кВ, и сохранении
= 15 мм·атм наблюдалось устойчивое развитие
стримеров во всем диапазоне исследуемых давле-
ний, при этом измеренные средняя скорость распро-
странения стримера
dp ⋅
strυ и произведения и Qp
оставались постоянными.
strpΤ
Проведены экспериментальные исследования
спектроскопических характеристик излучения стри-
мерного разряда при повышенных давлениях в воз-
духе в рамках выполнения соотношений подобия.
Зарегистрированы спектры излучения второй поло-
жительной системы азота (переход С3Пu-В3Пg) в
диапазоне длин волн 300…400 нм. Зарегистрирова-
на форма наиболее интенсивных полос излучения
при горении разряда в воздухе в диапазоне давлений
от 1 до 3 атм. Установлено, что во всём исследуе-
мом диапазоне давлений профиль наблюдаемых
полос излучения остаётся практически неизменным,
а относительная интенсивность исследуемых спек-
тральных линий, соответствующих переходам азота
из состояния С3Пu в В3Пg, сохраняется.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.И. Голота, Б.Б. Кадолин, В.И. Карась,
И.А. Пащенко, С.Г. Пугач, А.В. Яковлев. Иссле-
дования нестационарных мод в игла-плоскость
газовом разряде при атмосферном давлении
в различных N2-O2 смесях // ВАНТ. Серия «Плаз-
менная электроника и новые методы ускоре-
ния». 2003, №4, с.254-257.
2. Z. Buntat, I.R. Smith, N.A.M. Razali. Ozone genera-
tion using atmospheric pressure glow discharge in
air // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009, v.42, р.235202.
3. Y.P. Raizer. Gas Discharge Physics. New York:
“Springer”, 1991.
4. А.А.Рухадзе, Н.Н. Соболев, В.В. Соковиков. По-
добие нестационарных низкотемпературных раз-
рядов // Успехи физических наук. 1991, т.116, №9,
c.195-199.
5. N. Liu and V.P. Pasko. Effects of photoionization on
propagation and branching of positive and negative
streamers in sprites // J. Geophys. Res. 2004, v.109,
p.A04301.
6. Muehe C. Scaling laws for high density plasmas //
J. Appl. Phys. 1974, v.45, p.82.
7. S. Achat, Y. Teisseyre and E. Marode. The scaling
of the streamer-to-arc transition in a positive point-
to-plane gap with pressure // J. Phys. D: Appl. Phys.
1992, v.25, p.661-668.
8. A.A. Kulikovsky. The role of photoionization in
positive streamer dynamics // J. Phys. D: Appl.
Phys. 2000, v.33, p.1514-1524;
9. A.A. Kulikovsky. The role of absorption length of
photoionizing radiation in streamer dynamics in
weak field: a characteristic scale of ionization do-
main // J. Phys. D: Appl. Phys. 1999, v.33, p.L3-L9.
10. В.И. Голота, О.В. Болотов, Б.Б. Кадолин,
В.Н. Остроушко, Л.М. Завада, А.Ю. Шулика.
Экспериментальные исследования развития ка-
тодонаправленного стримера в воздухе при по-
вышенных давлениях // Вопросы атомной науки
и техники. Серия «Плазменная электроника и но-
вые методы ускорения» (6). 2008, №4, c.204-208.
11. N.Yu. Babaeva and G.V. Naidis. Simulation of posi-
tive streamers in air in weak uniform electric fields //
Phys. Lett. A. 1996, v.215, p.187-190.
12. N.Yu. Babaeva and G.V. Naidis. Dynamics of posi-
tive and negative streamers in air in weak uniform
electric fields // IEEE Trans. Plasma Sci. 1997, v.25,
p.375-379.
13. A.A. Kulikovsky. Production of chemically active
species in the air by a single positive streamer in a
nonuniform field // IEEE Trans. Plasma Sci. 1997,
v.25, p.439-46.
192
14. A.A. Kulikovsky. Positive streamer in a weak field
in air: a moving avalanche-to-streamer transition //
Phys. Rev. E 1998, v.57, p.7066-7074.
17. M.V. Zheleznyak, A.Kh. Mnatsakanian, and
S.V. Sizykh. Photoionization of nitrogen and oxygen
mixtures by radiation from gas discharge // High
Temp. 1982, v.20, p.357-362. 15. A.A. Kulikovsky. Analytical model of positive
streamer in weak field in air: application to plasma
chemical calculations // IEEE Trans. Plasma Sci.
1998, v.26, p.1339-1346.
18. G.W. Penney and G.T. Hummert. Photoionization
measurements in air, oxygen and nitrogen // J. Appl.
Phys. 1970, v.41, p.572-577.
16. M.I. Dyakonov and V.Y. Kachorovskii. Streamer
discharge in homogeneous field // Sov. Phys. JETP.
1989, v.68, p.1070-1074.
Статья поступила в редакцию 26.03.2010 г.
SIMILARITY CONDITIONS FOR CATHODE-DIRECTED STREAMER
IN NEEDLE-PLANE ELECTRODE SYSTEM
O.V. Bolotov, V.I. Golota, B.B. Kadolin, V.I. Karas`, V.N. Ostroushko, L.M. Zavada, A.Yu. Shulika
It is experimentally shown that in a pressures range 1…3 atm in air at performance of similarity ratio for a
streamer discharge the development dynamics of streamers is also similar. In particular, at a voltage equal 14 kV
and preservation p⋅d = 15 atm mm steady development of streamers in all range of researched pressure was ob-
served, thus the distributions of a streamer strυ measured average velocity remained constants. Spectra of radiation
of the second positive system of nitrogen are registered in a range of of wavelengths of 300…400 nm. It is estab-
lished, that in all range of pressure the structure of observable spectral lines of radiation is constant, and relative
intensity of spectral lines, corresponding to transitions of nitrogen from state С3Пu in В3Пg, is kept.
УМОВИ ПОДІБНОСТІ КАТОДОСПРЯМОВАНОГО СТРИМЕРА
У СИСТЕМІ ЕЛЕКТРОДІВ ГОЛКА-ПЛОЩИНА
О.В. Болотов, В.І. Голота, Б.Б. Кадолін, В.І. Карась, В.М. Остроушко, Л.М. Завада, А.Ю. Шуліка
Сформульовано співвідношення подібності, які дозволили порівнювати струмові характеристики розря-
ду та динаміку поширення стримера при різних тисках. Показано, що існує діапазон тисків, в якому розви-
ток розрядів відбувається подібним чином при збереженні незмінними добутку p⋅d та напруги U на розряд-
ному проміжку. Зареєстровані спектри випромінювання другої позитивної системи азоту у діапазоні довжин
хвиль 300…400 нм у повітрі при тисках від 1 до 3 атм. Встановлено, що у всьому досліджуваному діапазоні
тисків профіль спостережених смуг випромінювання залишається практично незмінним, а відносна
інтенсивність досліджуваних спектральних ліній, які відповідають переходам азоту зі стану С3Пu до В3Пg,
зберігається.
193
|