Модифицированный закон Пашена для зажигания разряда постоянного тока

Экспериментально исследован пробой газа в однородном постоянном электрическом поле. Найдено, что с увеличением расстояния между электродами кривые зажигания Udc(pL) смещаются в область более высоких напряжений пробоя Udc и бМльших значений произведения давления газа на межэлектродное расстояние pL....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2008
Hauptverfasser:	Лисовский, В.А., Коваль, В.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2008
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7886
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:	Модифицированный закон Пашена для зажигания разряда постоянного тока / В.А. Лисовский, В.А. Коваль // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 3-4. — С. 171-179. — Бібліогр.: 44 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-7886
record_format	dspace
spelling	Лисовский, В.А. Коваль, В.А. 2010-04-20T12:56:01Z 2010-04-20T12:56:01Z 2008 Модифицированный закон Пашена для зажигания разряда постоянного тока / В.А. Лисовский, В.А. Коваль // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 3-4. — С. 171-179. — Бібліогр.: 44 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7886 Экспериментально исследован пробой газа в однородном постоянном электрическом поле. Найдено, что с увеличением расстояния между электродами кривые зажигания Udc(pL) смещаются в область более высоких напряжений пробоя Udc и бМльших значений произведения давления газа на межэлектродное расстояние pL. При этом минимумы кривых зажигания лежат на одной прямой. На основании проведенных экспериментов показано, что обычный закон Пашена выполняется для коротких разрядных трубок, у которых отношение межэлектродного промежутка к радиусу трубки L/R ≤ 1. Для больших значений L/R нужно пользоваться модифицированным законом Udc = f (pL, L/R). Эксперименты выполнены в цилиндрической разрядной камере с L/R ≤ 9. Експериментально досліджено пробій газу в сталому електричному полі. Знайдено, що при збільшенні відстані між електродами криві запалювання Udc(pL) зсуваються в область більш високих напруг пробою Udc та більших значень добутку тиску газу на відстань між електродами pL. При цьому мінімуми кривих запалювання лежать на одній прямій. На базі виконаних експериментів показано, що звичайний закон Пашена виконується для коротких розрядних трубок, для яких відношення відстані між електродами до радіуса трубки L/R ≤ 1. Для більших значень L/R потрібно використовувати модифікований закон Udc = f (pL, L/R). Експерименти виконано в циліндричній розрядній камері з L/R ≤ 9. This paper is devoted to studying the breakdown of low-pressure DC glow discharge. A modified Paschen’s law for gas breakdown in uniform direct current electric fields is experimentally confirmed: the breakdown voltage is the function of the product of the interelectrode gap and the gas pressure, as well as the ratio of interelectrode gap to electrode diameter Udc = f (pL, L/R). It is shown that conventional Paschen’s law Udc = f (pL) is valid for tubes, in which a ratio of interelectrode gap to electrodes diameter less than one. The experiments were carried out in the cylindrical discharge tube with L/R ≤ 9. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Модифицированный закон Пашена для зажигания разряда постоянного тока Модифікований закон Пашена для запалювання розряду сталого струму Modified Paschen’s law for DC discharge ignition Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Модифицированный закон Пашена для зажигания разряда постоянного тока
spellingShingle	Модифицированный закон Пашена для зажигания разряда постоянного тока Лисовский, В.А. Коваль, В.А.
title_short	Модифицированный закон Пашена для зажигания разряда постоянного тока
title_full	Модифицированный закон Пашена для зажигания разряда постоянного тока
title_fullStr	Модифицированный закон Пашена для зажигания разряда постоянного тока
title_full_unstemmed	Модифицированный закон Пашена для зажигания разряда постоянного тока
title_sort	модифицированный закон пашена для зажигания разряда постоянного тока
author	Лисовский, В.А. Коваль, В.А.
author_facet	Лисовский, В.А. Коваль, В.А.
publishDate	2008
language	Russian
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
format	Article
title_alt	Модифікований закон Пашена для запалювання розряду сталого струму Modified Paschen’s law for DC discharge ignition
description	Экспериментально исследован пробой газа в однородном постоянном электрическом поле. Найдено, что с увеличением расстояния между электродами кривые зажигания Udc(pL) смещаются в область более высоких напряжений пробоя Udc и бМльших значений произведения давления газа на межэлектродное расстояние pL. При этом минимумы кривых зажигания лежат на одной прямой. На основании проведенных экспериментов показано, что обычный закон Пашена выполняется для коротких разрядных трубок, у которых отношение межэлектродного промежутка к радиусу трубки L/R ≤ 1. Для больших значений L/R нужно пользоваться модифицированным законом Udc = f (pL, L/R). Эксперименты выполнены в цилиндрической разрядной камере с L/R ≤ 9. Експериментально досліджено пробій газу в сталому електричному полі. Знайдено, що при збільшенні відстані між електродами криві запалювання Udc(pL) зсуваються в область більш високих напруг пробою Udc та більших значень добутку тиску газу на відстань між електродами pL. При цьому мінімуми кривих запалювання лежать на одній прямій. На базі виконаних експериментів показано, що звичайний закон Пашена виконується для коротких розрядних трубок, для яких відношення відстані між електродами до радіуса трубки L/R ≤ 1. Для більших значень L/R потрібно використовувати модифікований закон Udc = f (pL, L/R). Експерименти виконано в циліндричній розрядній камері з L/R ≤ 9. This paper is devoted to studying the breakdown of low-pressure DC glow discharge. A modified Paschen’s law for gas breakdown in uniform direct current electric fields is experimentally confirmed: the breakdown voltage is the function of the product of the interelectrode gap and the gas pressure, as well as the ratio of interelectrode gap to electrode diameter Udc = f (pL, L/R). It is shown that conventional Paschen’s law Udc = f (pL) is valid for tubes, in which a ratio of interelectrode gap to electrodes diameter less than one. The experiments were carried out in the cylindrical discharge tube with L/R ≤ 9.
issn	1999-8074
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7886
citation_txt	Модифицированный закон Пашена для зажигания разряда постоянного тока / В.А. Лисовский, В.А. Коваль // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 3-4. — С. 171-179. — Бібліогр.: 44 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT lisovskiiva modificirovannyizakonpašenadlâzažiganiârazrâdapostoânnogotoka AT kovalʹva modificirovannyizakonpašenadlâzažiganiârazrâdapostoânnogotoka AT lisovskiiva modifíkovaniizakonpašenadlâzapalûvannârozrâdustalogostrumu AT kovalʹva modifíkovaniizakonpašenadlâzapalûvannârozrâdustalogostrumu AT lisovskiiva modifiedpaschenslawfordcdischargeignition AT kovalʹva modifiedpaschenslawfordcdischargeignition
first_indexed	2025-11-26T20:08:53Z
last_indexed	2025-11-26T20:08:53Z
_version_	1850772651631443968
fulltext	ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 171 ВВЕДЕНИЕ Последние несколько десятков лет тлеющий разряд постоянного тока низкого давления широко применяется в разных технологичес- ких процессах: в плазменных источниках ионов, при травлении полупроводниковых материалов, очистке поверхности материа- лов, получении тонких полимерных и оксид- ных пленок, в приборах тлеющего разряда (стабилитронах, неоновых и газосветных лампах, цифровых индикаторных лампах, не- которых типах разрядников, тиратронах, де- катронах), для накачки газоразрядных лазе- ров, в плазменных дисплейных панелях, для плазменной стерилизации медицинского инструмента и оборудования и т.д. Широкое использование тлеющего разря- да в технологии требует более полного пони- мания физических процессов, происходящих в разряде. Вследствие этого в последнее вре- мя появилось большое число работ, посвя- щенных исследованию тлеющего разряда по- стоянного тока. Однако, хотя тлеющий разряд постоянного тока достаточно хорошо изучен, имеется ряд вопросов, требующих дополни- тельных исследований. Изучение пробоя газа в однородном посто- янном электрическом поле является одной из старейших проблем физики газового разряда. Как известно [1 – 25], кривые зажигания тле- ющего разряда постоянного тока описыва- ются законом Пашена Udc = f (pL), т.е. напря- жение пробоя Udc является функцией произ- ведения давления газа p и расстояния между электродами L. Закон Пашена означает, что кривые зажигания Udc(p), измеренные для различных расстояний L, должны наложиться друг на друга, если их построить как функ- цию Udc(pL). Однако в ряде работ экспери- ментально было обнаружено, что при одина- ковых значениях произведения pL напря- жение пробоя в случае большего разрядного промежутка с плоскими электродами оказы- валось заметно выше, чем в случае короткого промежутка [5, 10 –18]. Исследованию про- боя газа в постоянном поле посвящено мно- жество экспериментальных и теоретических работ, а также ряд монографий [3 – 25]. Од- нако в этих работах чаще всего основное вни- мание уделялось исследованию, например, только правой или только левой ветви кривой Пашена, или же кривые зажигания были измерены в узком диапазоне расстояний меж- ду электродами с фиксированным радиусом разрядной трубки. Поэтому построить какую- либо целостную картину зажигания тлею- щего разряда постоянного тока при низких давлениях газа было довольно сложно. Изучение зажигания тлеющего разряда по- стоянного тока является одной из старейших задач в физике газового разряда низкого дав- ления. Зависимость напряжения пробоя Udc от произведения давления газа p и межэлект- МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ЗАКОН ПАШЕНА ДЛЯ ЗАЖИГАНИЯ РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА В.А. Лисовский,, В.А. Коваль Харьковский национальный университет Украина Научный физико-технологический центр МОН и НАН Украины (Харьков) Украина Поступила в редакцию 04.11.2008 Экспериментально исследован пробой газа в однородном постоянном электрическом поле. Найдено, что с увеличением расстояния между электродами кривые зажигания Udc(pL) сме- щаются в область более высоких напряжений пробоя Udc и бМльших значений произведения давления газа на межэлектродное расстояние pL. При этом минимумы кривых зажигания лежат на одной прямой. На основании проведенных экспериментов показано, что обычный закон Пашена выполняется для коротких разрядных трубок, у которых отношение межэлектродного промежутка к радиусу трубки L/R ≤ 1. Для больших значений L/R нужно пользоваться моди- фицированным законом Udc = f (pL, L/R). Эксперименты выполнены в цилиндрической раз- рядной камере с L/R ≤ 9. ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4172 родного расстояния L впервые предсказали Де Ла Ру и Мюллер [26]. В 1889 году Пашен измерил правые ветви кривых зажигания тле- ющего разряда постоянного тока между дву- мя металлическими шарами в воздухе, CO2 и H2 в широком диапазоне значений pL и при- шел к выводу, что напряжение пробоя Udc яв- ляется функцией только произведения pL [1]. Закон Пашена означает, что кривые зажига- ния Udc(p), измеренные для различных рас- стояний L, должны наложиться друг на друга, если их построить как функцию Udc(pL). Экспериментальные зависимости кривых зажигания от материала катода измерила Эренкранц [19]. Автор провела измерения в аргоне, азоте и водороде с катодами из плати- ны и натрия справа от минимума кривой Па- шена. Во всем исследованном диапазоне дав- лений газа напряжение пробоя в случае като- да, покрытого натрием, было заметно ниже, чем в случае платинового катода. Зависимо- сти кривых зажигания от коэффициента эмиссии γ для различных материалов катода приведены в обзорной статье Дрюйвестейна и Пеннинга [3] и книге Брауна [6] (по резуль- татам измерений различных авторов). В 1928 году Таунсенд и Мак Келлум изме- рили кривые зажигания тлеющего разряда постоянного тока в неоне [10] и обнаружили отклонение от закона Пашена. Авторы наш- ли, что при одинаковых значениях произве- дения pL напряжение пробоя в случае боль- шого разрядного промежутка с плоскими электродами заметно выше, чем в случае ко- роткого промежутка. Более поздние исследо- вания подтвердили этот вывод для ряда газов (неон, аргон, азот, водород и другие). Миллер провел ряд экспериментов по исследованию пробоя газа в неоне с медными электродами, при этом значения pL изменялись в диапазоне 0,2 − 15 Торр см [14]. Он получил, что при увеличении межэлектродного расстояния L кривые зажигания смещаются в область бо- льших напряжений пробоя. В работах [30, 31] были определены первый α и второй γ коэф- фициенты Таунсенда для разряда в криптоне и ксеноне, с покрытыми золотом электрода- ми. Авторы измерили кривые зажигания и нашли, что напряжение пробоя не подчиня- ется закону Пашена, поскольку с увеличе- нием межэлектродного расстояния потенциал зажигания растет. Зависимости напряжения пробоя от значения pL для небольших меж- электродных расстояний (15 25 мм) и при низких давлениях были измерены в работе [17]. Эксперименты проводились в азоте, воз- духе, SF6 и парах воды. В работе [18] пред- ставлены кривые зажигания для разряда в ар- гоне. Из полученных авторами данных видно, что для большего расстояния между электро- дами напряжение пробоя выше. Из приведенных выше работ видно, что при больших расстояниях между электро- дами для описания экспериментальных кри- вых зажигания тлеющего разряда постоян- ного тока закон Пашена использовать нельзя. Как будет показано ниже, область примени- мости закона Пашена ограничена случаем L/R → 0 (плоские бесконечные электроды), где L – межэлектродное расстояние, а R – ра- диус электродов. До появления статей [27 – 29] этот вопрос оставался открытым, т.к. не было удовлетворительного описания кривых зажигания тлеющего разряда при отношении L/R, не равном нулю. Несмотря на большое количество экспериментальных и теоретиче- ских работ, посвященных пробою газа низ- кого давления в однородном постоянном электрическом поле, отсутствовал метод, по- зволяющий предсказать кривую зажигания при произвольных значениях расстояния между электродами L и радиуса разрядной камеры R. В работах [27 – 29] авторы исследовали пробой газа низкого давления в ряде газов при различных материалах электродов в ци- линдрических трубках в широком диапазоне расстояний между электродами L и радиусов разрядных камер R. Они показали, что пробой газа в постоянном электрическом поле опи- сывается модифицированным законом Udc = f (pL, L/R), т.е. напряжение пробоя Udc оказалось как функцией произведения давле- ния газа и величины зазора рL, так и функ- цией отношения величины зазора к радиусу разрядной камеры L/R. Эксперименты [27 – 29] были выполнены в диапазоне L/R ≤ 3. Авторы [30] исследовали эксперимен- тально и теоретически пробой гелия низкого давления. Они получили, что несколько про- цессов дают вклад в особый профиль в кри- МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ЗАКОН ПАШЕНА ДЛЯ ЗАЖИГАНИЯ РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 173 вой зажигания в гелии: 1) зависимость ион- электронной эмиссии от энергии ионов, 2) появление ионизации атомов газа ионным ударом при высоких электрических полях и 3) вторичная электронная эмиссия из катода из-за бомбардировки быстрыми нейтраль- ными атомами. В работе [31] авторы опре- делили коэффициент эффективной вторич- ной эмиссии в азоте из кривых зажигания раз- ряда постоянного тока. Авторы работы [32] исследовали зажигание разряда в аргоне в микроплазменном устройстве (с зазорами между электродами от 0,1 мм до 0,5 мм). В работе [33] разработана гидродинамиче- ская модель пробоя газа в постоянном элект- рическом поле. Показано, что при давлениях газа справа от минимума кривой зажигания нужно учитывать изменение эффективного коэффициента вторичной эмиссии поверх- ности катода, вызванное эффектом обратного рассеяния электронов при столкновениях с молекулами газа. Пробой аргона низкого дав- ления экспериментально исследован с помо- щью визуализации эмиссии света из зазора между электродами с временным разреше- нием в работе [34]. Авторы работы [35] тео- ретически исследовали распространение ионизационной волны при пробое аргона в цилиндрической трубке. Их гидродинами- ческая модель включала уравнение непре- рывности и импульса для электронов, ионов и нескольких возбужденных состояний ато- мов аргона, уравнение баланса и уравнение Пуассона. Авторы работы [36] представили обзор ре- зультатов исследования пробоя газа низкого давления в постоянном электрическом поле, когда вторичная эмиссия электронов из като- да играет важную роль в развитии пробоя. В работе [37] выполнен статистический анализ динамического напряжения зажигания раз- ряда в азоте. Автор работы [38] исследовал механизм пробоя газа низкого давления (от 10–4 до 105 Па) и узких зазорах между электро- дами (от 0,1 до 1 мм). Показано существова- ние “краевого пробоя”, который происходит при низких давлениях (слева от минимума кривой зажигания) вблизи краев электродов. В работе [39] исследована применимость закона подобия в случаях пробоя газа в по- стоянном и пульсирующем электрическом по- ле между плоскими электродами, а также дву- мя остриями. В работах [40, 41] исследовано влияние радиоактивного облучения разряд- ного промежутка на пробой газа в постоян- ном электрическом поле. Показано, что нали- чие радиоактивного облучения облегчает за- жигание разряда. В настоящей работе экспериментально ис- следовано зажигание разряда в постоянном электрическом поле. Подтверждена примени- мость модифицированного закона пробоя газа в постоянном электрическом поле Udc = f (pL, L/R), т.е. напряжение пробоя Udc оказывается как функцией произведения давления газа и величины зазора рL, так и функцией отношения величины зазора к ра- диусу разрядной камеры L/R. Эксперименты выполнены в цилиндрической разрядной камере с L/R ≤ 9. Модифицированный закон Пашена имеет большое значение для дальнейшего экспери- ментального изучения тлеющего разряда по- стоянного тока и для построения теоретичес- ких моделей пробоя газа низкого давления в постоянном электрическом поле. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Для изучения характеристик тлеющего раз- ряда постоянного тока низкого давления ис- пользовался экспериментальный комплекс, блок-схема которого показана на рис. 1. Вакуумная камера 1 представляет собой отрезок цилиндрической трубы из стекла с внутренним диаметром 8 мм, вакуумно-уп- Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки для исследования тлеющего разряда постоянного тока. В.А. ЛИСОВСКИЙ, В.А. КОВАЛЬ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4174 лотненный с торцов фланцами. Эксперимен- ты проводились с внутренними цилиндричес- кими электродами с плоскими торцами, изго- товленными из алюминия. Внешний диаметр электродов равен 7 мм, т.е. немного меньше внутреннего диаметра разрядной трубки. Рас- стояние между катодом и анодом можно было изменять, передвигая один из электродов. Из- мерения проведены в диапазоне расстояний между электродами L = 2 – 35 мм. Исследования проводились в азоте в диа- пазоне давлений p = 0,04 − 10 Торр. Камера откачивалась форвакуумным насосом до предельного вакуума (1⋅10-3 Торр). Рабочий газ напускался при помощи системы напуска СНА-1, давление газа контролировалось ва- куумным теплоэлектрическим реле РВТ-2М. Погрешность измерения давления составляла 10 − 15 %. Давление газа в камере устанавли- валось путем изменения сечения вакуумпро- вода регулируемым вакуумным клапаном, что обеспечивало постоянство скорости протока газа в камере при различных давлениях. По- стоянный поток газа нужен, чтобы умень- шить влияние на параметры пробоя метаста- бильных атомов или молекул. При исследовании зажигания тлеющего разряда постоянного тока на катод подава- лось постоянное напряжение Udc ≤ 3000 В от блока питания БП-67. В разрядную цепь меж- ду катодом и источником постоянного напря- жения последовательно подключался резис- тор сопротивлением 1,5 кОм. Перед выполнением измерений проводили очистку поверхности катода, зажигая тлею- щий разряд в азоте при давлении p ≈ 0,5 Торр и разрядном токе Idc = 5 мА в течение 10 мин. При этих условиях поток ионов на катод до- статочно велик для удаления монослоев га- зов, оставшихся на поверхности катода после проведения механической шлифовки и поли- ровки, но разрядный ток еще недостаточен для появления катодных пятен, приводящих к эрозии поверхности катода. Какие-либо внешние источники ионизации не использ- овались, исследовалось исключительно зажи- гание самостоятельного тлеющего разряда постоянного тока. Измерения кривых зажигания проводи- лись следующим способом. Сначала устанав- ливали расстояние между электродами L, за- тем при различных фиксированных давлени- ях газа p измеряли напряжение пробоя Udc. Точность измерения напряжения пробоя была ± 5 %. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО- ГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОБОЯ ГАЗА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ПОСТОЯН- НОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ Как известно, кривые зажигания тлеющего разряда постоянного тока описываются за- коном Пашена Udc = f (pL), т.е. напряжение пробоя Udc является функцией произведения давления газа p и расстояния между элект- родами L. Закон Пашена означает, что кривые зажигания Udc(p), измеренные для различных расстояний L, должны наложиться друг на друга, если их построить как функцию Udc(pL). Однако, как было показано во введе- нии, в экспериментальных кривых зажигания наблюдается отклонение от закона Пашена: при одном и том же значении pL напряжение пробоя для больших межэлектродных рассто- яний L заметно выше, чем для коротких раз- рядных промежутков. В настоящей работе представлены резуль- таты экспериментального исследования про- боя газа низкого давления в постоянном элек- трическом поле. Эксперименты проводились в разрядных камерах с различными расстоя- ниями между электродами L в азоте. Было найдено, что с увеличением разряд- ного промежутка кривые зажигания смеща- ются не только в область более высоких на- пряжений пробоя Udc, но также в сторону бо- льших значений pL. При этом минимумы кри- вых зажигания лежат на одной прямой, т.е. Umin ∝ (pL)min. Экспериментально и теорети- чески найдено, что напряжение пробоя Udc в однородном постоянном электрическом поле является функцией не только произведения pL, но и отношения L/R, т.е. Udc = f (pL, L/R). Показано, что обычный закон Пашена спра- ведлив только для тех разрядных трубок, у которых отношение L/R ≤ 1. На рис. 2 представлены эксперименталь- ные кривые зажигания тлеющего разряда по- стоянного тока в азоте, измеренные нами для различных расстояний L между электродами. МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ЗАКОН ПАШЕНА ДЛЯ ЗАЖИГАНИЯ РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 175 Из рис. 2 видно, при небольших расстоя- ниях между электродами (до 4 мм) увели- чение зазора L приводит к смещению кривых зажигания в область более низких значений давления, при этом напряжение зажигания Udc в минимуме остается практически неиз- менным. Минимумы измеренных кривых зажигания удовлетворительно укладываются на одну прямую линию. Однако при дальней- шем увеличении расстояния между электро- дами наблюдается повышение минимального напряжения зажигания разряда. То есть кри- вые зажигания при увеличении зазора сме- щаются не только в область более низких дав- лений, но и в область более высоких постоян- ных напряжений. Подобный вывод можно сделать и из экс- периментальных результатов, представлен- ных на рис. 3 в работе [14] для неона. Автор [14] измерил кривые зажигания вблизи и слева от минимума и отметил, что увеличение расстояния между электродами L приводит к повышению напряжения пробоя Udc. Однако из его результатов видно, что с ростом расстояния L кривые зажигания сме- щаются также в область более высоких зна- чений pL (чему в [14] совершенно не было уделено внимания). Следовательно, наблю- даемое в настоящей работе отклонение от за- кона Пашена хорошо подтверждается измере- ниями других авторов. Такое смещение кри- вых зажигания в область более высоких зна- чений Udc и pL при увеличении расстояния между электродами L связано с возрастанием потерь заряженных частиц на боковых стен- ках разрядной трубки из-за диффузии попе- рек электрического поля. Построим полученные кривые зажигания в масштабе Udc = f(pL). На рис. 3 показаны зависимости напряжения зажигания тлеюще- го разряда постоянного тока от величины про- изведения pL для различных расстояний L между электродами. Из рис. 3 видно, что при небольших расстояниях L (до 4 мм) кривые зажигания вблизи и справа от минимумов практически наложились. Однако при увели- чении зазора между электродами наблюда- ется смещение кривых зажигания в область более высоких пробойных напряжений и ве- личин произведения pL. При этом минимумы кривых зажигания лежат на одной прямой линии. Из наших экспериментальных кривых за- жигания тлеющего разряда постоянного тока в азоте при различных межэлектродных рас- стояниях L были получены зависимости Umin от величины (pL)min (рис. 4). Рис. 2. Экспериментальные кривые зажигания тлею- щего разряда постоянного тока в азоте для различных расстояний L между электродами. Рис. 3. Зависимость напряжения зажигания тлеющего разряда постоянного тока в азоте от величины произ- ведения pL для различных расстояний L между элек- тродами. Рис. 4. Зависимость Umin и от (pL)min для тлеющего раз- ряда постоянного тока в азоте. В.А. ЛИСОВСКИЙ, В.А. КОВАЛЬ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4176 Как видно из этого рис. 4, для измеренных координат минимумов кривых зажигания имеем Umin (pL)min. На рис. 5 показана зависимость Umin от от- ношения L/R. Из рисунка следует, что Umin с ростом L/R сохраняется постоянной только при L/R ≤ 1. При дальнейшем увеличении расстояния между электродами L (следовате- льно, и величины L/R) наблюдается рост Umin. Подобная зависимость произведения (pL)min в минимуме кривой зажигания от L/R пред- ставлена на рис. 6. Для справедливости зако- на Пашена нужно, чтобы Umin и (pL)min не зави- сели от зазора L (величины отношения L/R). Из рис. 5 и 6 следует, что такое возможно только при L/R < 1, когда Umin и (pL)min остают- ся постоянными. Следовательно, закон Па- шена справедлив для зажигания разряда по- стоянного тока в цилиндрических камерах, длина которых не превышает радиуса трубки. В случае L/R > 1 необходимо пользоваться модифицированным законом Пашена. Для того, чтобы объяснить полученные экспериментальные результаты, рассмотрим уравнение пробоя газа в однородном по- стоянном электрическом поле. В настоящее время для теоретического описания пробоя газа в однородном постоян- ном электрическом поле широко исполь- зуется уравнение, полученное еще Таунсен- дом [2]: γ[exp(αL)] = 1, (1) где α и γ – первый и второй коэффициенты Таунсенда. Это простое уравнение было вы- ведено для случая плоских электродов с бес- конечно большим радиусом R, т.е. L/R = 0. Однако в реальных газоразрядных установ- ках (технологических и исследовательских) радиус электродов, может быть, сравним с расстоянием между электродами. Такая ситу- ация, в частности, имеет место в некоторых конструкциях плазменных дисплейных па- нелей [42]. В этом случае, как видно из при- веденных выше экспериментальных кривых зажигания, уход заряженных частиц на бо- ковые стенки камеры играет существенную роль. Для описания зажигания тлеющего раз- ряда постоянного тока в таких устройствах необходимо получить критерий пробоя газа, учитывающий уход заряженных частиц на боковые стенки разрядной трубки (ячейки в плазменной дисплейной панели и т.п.). Урав- нение пробоя газа в однородном постоянном электрическом поле, которое учитывает как ионизацию молекул газа электронным ударом и дрейф электронов и ионов вдоль поля, так и диффузионный уход электронов по радиусу разрядной трубки, было получено в книге Смирнова [43] и в работе Колобова и Фиала [44]: ( )[ ] γ =−α′ α′ α 11exp L , 24,2             −−α=α′ RV D V D i i e e , (2) где Ve и Vi – дрейфовые скорости электронов и ионов, соответственно, De и Di – коэффи- циенты поперечной диффузии электронов и ионов. Рис. 5. Зависимость Umin от отношения L/R для тлею- щего разряда постоянного тока в азоте. Рис. 6. Зависимость произведения (pL)min от отноше- ния L/R. МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ЗАКОН ПАШЕНА ДЛЯ ЗАЖИГАНИЯ РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 177 Из рис. 5 и 6 можно сделать вывод, что при описании кривых зажигания тлеющего раз- ряда постоянного тока параметр L/R является таким же важным, как и параметр pL. Следо- вательно, закон пробоя газа в однородном постоянном электрическом поле нужно запи- сывать в следующем виде:      = R LpLfU dc , . (3) На основе анализа большого числа экс- периментальных кривых зажигания авторы [29] получили эмпирические формулы, хоро- шо описывающие зависимость кривых зажи- гания от отношения L/R. При соответствующем выборе координат- ных осей можно добиться того, что все изме- ренные в настоящей работе кривые зажига- ния практически совпадут. В работе [29] по- казано, что если по оси абсцисс отложить ( ) a R LpLpL              += 2 1/ , (4) а по оси ординат a dcdc R LUU              += 2 * 1/ , (5) где a − константа, зависящая от сорта газа, то все экспериментальные кривые зажигания с хорошей точностью накладываются друг на друга. Для азота авторами [29] получено значение a ≈ 0,12. Очевидно, что при L/R → 0 из формул (4) и (5) мы имеем обычную кривую Пашена Udc = f (pL). На рис. 5 пунктирной кривой показана за- висимость напряжения в минимуме кривой зажигания от L/R, рассчитанная по формуле (5). Из рис. 6 видно, что результаты расчетов с помощью формулы (5) качественно хорошо согласуется с результатами наших измерений, но смещены относительно наших данных в область более низких L/R. Формула (5) полу- чена авторами [29] феноменологическим пу- тем и, по-видимому, нуждается в уточнении. ВЫВОДЫ В настоящей работе было экспериментально исследовано зажигание тлеющего разряда по- стоянного тока в азоте при различных меж- электродных расстояниях между электрода- ми. Экспериментально подтверждена справе- дливость модифицированного закона Пашена для пробоя газа низкого давления в постоян- ном электрическом поле Udc = f (pL, L/R), т.е. напряжение пробоя Udc оказывается как функ- цией произведения давления газа и величины зазора рL, так и функцией отношения величи- ны зазора к радиусу разрядной камеры L/R. Найдено, что с увеличением межэлектрод- ного промежутка кривые зажигания смеща- ются в область более высоких напряжений пробоя Udc и больших значений произведения pL, при этом их минимумы лежат на одной прямой (Umin ∝ (pL)min). Экспериментально показано, что обычный закон Пашена Udc = f (pL) справедлив для тех разрядных трубок, у которых отношение расстояния между электродами к радиусу трубки L/R ≤ 1. Для больших значений L/R нужно пользоваться модифицированным законом Udc = f (pL, L/R). Эксперименты выполнены в цилиндрической разрядной камере с L/R ≤ 9. ЛИТЕРАТУРА 1. Paschen F. Veber die zum Funkenubergang in Luft, Wasserstoff und Kohlensaure bei verschie- denen Drucken erforderliche Potentialdifferenz //Annalen der Physik und Chemie.– 1889. – Vol. 37, № 5. – P. 69-96. 2. Townsend J.S. Electricity in Gases. − Oxford: Clarendon Press, 1915. – 496 p. 3. Druyvesteyn M.J., Penning F.M. The Mechanism of Electrical Discharges in Gases of Low Pres- sure//Rev. Modern Phys. – 1940. – Vol. 12, № 2. – P. 87-174. 4. Энгель А. Ионозованные газы/Пер. с англ. − М.: Физматгиз, 1959. – 332 с. 5. Мик Дж., Крэгс Дж. Электрический пробой в газах/Пер. с англ. − М.: ИЛ, 1960. – 605 с. 6. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда/Пер. с англ. − М.: Атомиздат, 1961.– 324 с. 7. Llewellyn Jones M.A. Ionization Growth and Breakdown//Handbuch der Physik/ed S Flugge.− Berlin: Springer. – 1956. – Vol. 22. – P. 1-52. 8. Loeb L.B. Electrical Breakdown of Gases with Steady or Direct Current Impulse Potentials// Handbuch der Physik/ed S Flugge.− Berlin: Springer. – 1956.– Vol. 22.– P. 445-530. 9. Phelps A.V., Petrovic Z.Lj. Cold cathode dis- charges and breakdown in argon: surface and gas phase production of secondary electrons//Plasma В.А. ЛИСОВСКИЙ, В.А. КОВАЛЬ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4178 Sources Sci. Technol. – 1999. – Vol. 8. – P. R21-R44. 10. Townsend J.S., McCallum S.P. Electrical pro- perties of Neon//Phil. Mag.– 1928.– Vol. 6, № 38. – P. 857-878. 11. Fricke H. Die Durchschlagspannung von extrem reinem und trockenem Wasserstoff und Sauers- toff bei Drucken von 1 bis 60 Tor und Abstanden von 1 bis 35 mm und ihre Abweichung vom Pas- chenschen Gesetz//Zeitschrift fur Physik.– 1933. – Vol. 86, № 11. – P. 464-478. 12. McCallum S.P., Klatzow L Deviations from Paschen’s Law//Phil. Mag. – 1934. – Vol. 17. – P. 279-297. 13. Buttner H. Die Anfangscharakteristik der Town- send-Entladung in Edelgasen//Zeitschrift fur Physik. – 1939. – Vol. 111, № 11. – P. 750-769. 14. Miller H.C. Breakdown potential of neon below the Pashen minimum//Physica.– 1964.– Vol. 30.– P. 2059-2067. 15. Jacques L., Bruynooghe W. Measurement of tow- nsend ionization coefficients and the breakdown potentials in krypton//Proc. 15th Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases.– Minsk. – 1981.– P. 609-610. 16. Jacques L., Bruynooghe W., Boucique R., Wie- me W.J. Experimental determination of the pri- mary and secondary ionization coefficients in krypton and xenon//J. Phys. D: Appl. Phys. – 1986. –Vol. 19. – P. 1731-1739. 17. Yumoto M., Sakai T., Ebinuma Y., Fujiwara Y., Aihara M. Measurement of breakdown voltage of electro-negative gas in the left region of the pashen minimum//Proc. 8th Int. Symp. on High Voltage Engineering. – Yokohama. – 1993. – P. 409-412. 18. Auday G., Guillot P., Galy J., Brunet H.J. Experi- mental study of the effective secondary emission coefficient for rare gases and copper electrodes //J. Appl. Phys.– 1998. – Vol. 83, № 11.– P. 5917-5921. 19. Ehrenkranz F. Spark Breakdown Potentials as a Function of the Pressure by the Plate Separation in A, N2 and H2 for Pt and Na Cathodes//Phys. Rev. – 1939. –Vol. 55. – P. 219-227. 20. Ульянов К.Н. К лавинной теории пробоя в га- зе//ЖТФ. – 1970. – Т. 15, № 10. – С. 2138-2146. 21. Johnson P.C., Parker A.B. A new theory for bre- akdown to the left of Pashen minimum//Letters to the/ Ed. J. Phys. D: Appl. Phys. – 1971. – Vol. 4. – P. L8-L10. 22. Ворончев Т.А., Жданова Г.В. К вопросу о пе- реходе темного разряда в тлеющий (левая ветвь кривой Пашена)//ЖТФ. – 1973. – Т. 43, № 6. – С. 1212-1216. 23. Ворончев Т.А., Жданова Г.В. К вопросу о пе- реходе темного разряда в тлеющий (правая ветвь кривой Пашена)//ЖТФ. – 1973. – Т. 45, № 7. – С. 1427-1433. 24. Pace J.D., Parker A.B. The breakdown of argon at low pressure//J. Phys. D: Appl. Phys. – 1973. – Vol. 6. – P. 1525-1536. 25. Phelps A.V., Jelenkovic B.M. Excitation and bre- akdown of Ar at very high ratios of electric field to gas density//Phys. Rev. A. – 1988. – Vol. 38. – P. 2975-2990. 26. De La Rue W., Muller H.W. Experimental Resea- rches on the Electric Discharge with the Chloride of Silver Battery//Phil. Trans. Roy. Soc. – Lond. – 1880. – Vol. 171, Pt 1. – P. 65-116. 27. Лисовский В.А., Яковин С.Д. Модифициро- ванный закон Пашена для зажигания тлеюще- го разряда в инертных газах//Журнал техни- ческой физики.– 2000.– Т. 70, № 6.– С. 58-62. 28. Лисовский В.А., Яковин С.Д. Закон подобия при пробое газа низкого давления в однород- ном постоянном электрическом поле//Письма в ЖЭТФ. – 2000. – Т. 72, № 2. – С. 49-53. 29. Lisovskiy V.A., Yakovin S.D., Yegorenkov V.D. Low-pressure gas breakdown in uniform dc electric field//J. Phys. D: Appl. Phys. – 2000. – Vol. 33, No. 21. – P. 2722-2730. 30. Hartmann P., Donko Z., Bano G., Szalai L., Roz- sa K. Effect of different elementery processes on the breakdown in low-pressure helium gas// Plasma Sources Sci. Technol. – 2000. – Vol. 9, No. 2. – P. 183-190. 31. Markovic V.Lj., Gocic S.R., Stamenkovic S.N., Petrovic Z.Lj., Radmilovic M. Determination of effective electron yield from swarm and time delay measurements//Eur. Phys. J. AP. – 2001.– Vol. 14. – P. 171-176. 32. Mariotti D., McLaughlin J.A., Maguire P. Expe- rimental study of breakdown and effective secon- dary electron emission coefficient for micro-plas- ma device//Plasma Sources Sci. Technol. – 2004. – Vol. 13, No. 2. – P. 207-212. 33. Kudryavtsev A.A., Tsendin L.D. Cathode Boun- dary Conditions for Fluid Model Discharges on the Right-Hand Branch of the Paschen Curve// Techn. Phys. Let. – 2002. – Vol. 28, No. 8. – P. 621-624. 34. Wagenaars E., Bowden M.D., Kroesen G.M.W. Plasma emission imagine of a low-preasure argon breakdown//Plasma Sources Sci. Technol. – 2005. – Vol. 14, No. 2. – P. 342-350. 35. Brok W.J., van Dijk J., Bowden M.D., van der Mullen J.J.A.M. A model study of propagation of the first ionization wave during breakdown in МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ЗАКОН ПАШЕНА ДЛЯ ЗАЖИГАНИЯ РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 179 a straight tube containing argon//J. Phys. D: Appl. Phys. – 2003. – Vol. 36, No. 16. – P. 1967-1979. 36. Pejovic M.M., Ristic G.S., Karamarkovic J.P. Electrical breakdown in low pressure gases//J. Phys. D: Appl. Phys.– 2002. – Vol. 35, No. 10. – P. R91-R103. 37. Radovic M.K., Maluckov C.A. Statistical Ana- lysis of the Dynamic Voltage Electrical Break- down in Nitrogen//IEEE Transactions on Plasma Science. – 2001. – Vol. 29, No. 5. – P. 832-836. 38. Osmokrovic P.O. Mechanism of Electrical Breakdown of Gases at Very Low Pressure and Interelectrode Gap Values//IEEE Transactions on Plasma Science. – 1993. – Vol. 21, No. 6. – P. 645-653. 39. Osmokrovic P., Zivic T., Loncar B., Vasic A. The validity of the general similarity law for electrical breakdown of gases//Plasma Sources Sci. Tech. – 2006. –Vol. 15, No. 4. – P. 703-713. 40. Osmokrovic P., Loncar B., Stankovic S. Inves- tigation of the Optimal Method for Improvement of the Protective Characteristics of Gas-Filled Surge Arresters – With/without the Built-In Ra- dioactive Sources//IEEE Transactions on Plasma Science.– 2002. – Vol. 30, No. 5. – P. 1876-1880. 41. Loncar B., Osmokrovic P., Stankovic S. Radio- active Reliability of Gas-Filled Surge Arresters //IEEE Transactions on Plasma Science.– 2003.– Vol. 50, No. 5. – P. 1725-1731. 42. Meunier J., Belenguer Ph., Boeuf J.P. Numerical model of an ac display panel cell in neon-xenon mixtures//J. Appl. Phys.– 1995.– Vol. 78, № 2. – P. 731-745. 43. Смирнов Б.М. Физика слабоионизованного газа. – М.: Наука, 1972. – 416 с. 44. Kolobov V.I., Fiala A. Transition from a Town- send discharge to a normal discharge via two- dimensional modeling//Phys. Rev. E. – 1994. – Vol. 50, № 4. – P. 3018-3032. МОДИФІКОВАНИЙ ЗАКОН ПАШЕНА ДЛЯ ЗАПАЛЮВАННЯ РОЗРЯДУ СТАЛОГО СТРУМУ В.О. Лісовський, В.О. Коваль Експериментально досліджено пробій газу в ста- лому електричному полі. Знайдено, що при збіль- шенні відстані між електродами криві запалю- вання Udc(pL) зсуваються в область більш висо- ких напруг пробою Udc та більших значень добут- ку тиску газу на відстань між електродами pL. При цьому мінімуми кривих запалювання лежать на одній прямій. На базі виконаних експери- ментів показано, що звичайний закон Пашена ви- конується для коротких розрядних трубок, для яких відношення відстані між електродами до ра- діуса трубки L/R ≤ 1. Для більших значень L/R потрібно використовувати модифікований закон Udc = f (pL, L/R). Експерименти виконано в цилін- дричній розрядній камері з L/R ≤ 9. MODIFIED PASCHEN’S LAW FOR DC DISCHARGE IGNITION V.A. Lisovskiy, V.A. Koval’ This paper is devoted to studying the breakdown of low-pressure DC glow discharge. A modified Pas- chen’s law for gas breakdown in uniform direct cur- rent electric fields is experimentally confirmed: the breakdown voltage is the function of the product of the interelectrode gap and the gas pressure, as well as the ratio of interelectrode gap to electrode diameter Udc = f (pL, L/R). It is shown that conventional Pas- chen’s law Udc = f (pL) is valid for tubes, in which a ratio of interelectrode gap to electrodes diameter less than one. The experiments were carried out in the cylindrical discharge tube with L/R ≤ 9. В.А. ЛИСОВСКИЙ, В.А. КОВАЛЬ

Модифицированный закон Пашена для зажигания разряда постоянного тока

Institution

Ähnliche Einträge