Введение к работе
Актуальность темы
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, мапіитогидродинамические 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 электрический разряд находит в различных процессах и аппаратах электронно-ионной технологии: элсктроокраска, электрофильтры, ксерография, химическое производство и проч.
С другой 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.
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 исследованию различных аспектов электрического пробоя и большое число направлений этих исследований, в силу того, что газовый разряд характеризуется необычным разнообразием, сложностью и запуганностью 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), полем положительного объемного заряда (р+), накапливающегося внутри РП на частотах больших первой критической частоты (f^i). Эксперименты
показали, что наряду с накоплением р+ имеет место накопление также и отрицательного объемного заряда (р.) внутри РП, причем даже на частотах меньших ґкрі- Убедительного объяснения роли р. в механизме формирования ВЧ разряда, на наш взгляд, пока нет.
Исследования электрического разряда в газах в Тартуском государственном университете (Эстония) показали, что первым импульсам, инициирующим развитие ВЧ разряда, предшествуют т. н. предразрядные импульсы, возникающие в момент амплитудного значения приложенного напряжения во время его положительного полупериода (+ПП). Их амплитуда на 2-3 порядка меньше амплитуды первых импульсов разряда, а по форме импульсов фототока, получаемых с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), они подобны вспышеч-ным 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.
Нами была поставлена задача получить новый экспериментальный материал по возникновению одноэлектродного ВЧ разряда, который позволил бы, при его интерпретации, расшифровать причины, приводящие к понижению напряжения возникновения разряда с ростом его частоты, прояснить роль как р. и р+, накапливающихся в разрядном промежутке, так и роль предразрядных импульсов в формировании ВЧ разряда. Результаты этих исследований, их обсуждение, а также предполагаемые механизмы возникновения разряда на частотах выше и ниже первой критической частоты рассматриваются в реферируемой работе.
Цель и задачи работы
f 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 воздушных газоразрядных промежутков типа острие-плоскость при атмосферном давлении в области первой критической частоты: 0,15 -1,5 МГц.
Основными задачами работы являлись:
экспериментальное обнаружение и исследование характера накопления положительного и отрицательного объемных зарядов в зависимости от величины приложенного напряжения и его частоты;
исследование внешних форм свечения импульсов короны постоянного напряжения и первых импульсов, инициирующих ВЧ разряд, изучение простран-
ственного распределения свечения этих импульсов, а также характер развития во времени предразрядных импульсов, предшествующих ВЧ разряду;
проведение сравнительных исследований разрядных явлений во время разнополярных полупериодов (+ПП) ВЧ напряжения и вероятности возникновения разряда в тот или иной полупериоды в зависимости от частоты приложенного напряжения и соотношения между постоянной (IL) и переменной (U.) составляющими, в случае их одновременной подачи на РП, т.е. смешанном напряжении (UCM);
изучение вероятности возникновения разряда в положительный (+ПГІ) или отрицательный (-ПП) полупериоды ВЧ напряжения и времени формирования предразрядных процессов в зависимости от величины напряжения на РП, превышающем его пороговое значение (Ці,), т.е. при перенапряжениях;
уточнение, по полученным данным, модели возникновения разряда в окрестности первой критической частоты: расшифровка роли положительного и отрицательного объемного зарядов, предразрядных импульсов и характера их развития во времени в формировании первых импульсов ВЧ разряда.
Научная новизна работы
1. Впервые экспериментально показано, что в рассматриваемом диапазоне
частот для всех исследуемых РП имеет место накопление положительного и от
рицательного объемных зарядов как на частотах выше, так и ниже первой крити
ческой.
2. Впервые проведены оптические исследоваїшя по возникновению и вре
менному развитию предразрядных импульсов, предшествующих первым им
пульсам, инициирующим ВЧ разряд в области первой критической частоты.
Впервые проведены оптические и электрические исследования по возникновению и пространственно-временному развитию первых импульсов, инициирующих разряд, в области первой критической частоты.
Впервые исследована вероятность возникновения разряда в тог или иной полупериод переменного напряжения в области первой критической частоты в зависимости от частоты приложенного напряжения и соотношения между различными составляющими смешанного напряжения.
Впервые исследована зависимость времени формирования предразрядных процессов и вероятности возникновения ВЧ разряда во время различных его полупериодов от величины перенапряжения на РП в области первой критической частоты.
На основании полученных экспериментальных данных впервые предложены два различных механизма формирования разряда в области первой критической частоты: первый качественно описывает возникновение разряда на частотах меньших fupL второй на частотах больших f^i.
Научная и практическая значимость работы
Реализован способ измерения величины накапливающегося внутри РП положительного и отрицательного объемных зарядов, при этом наибольшая чувствительность аппаратуры, регистрирующей ток, была порядка 10"15 -s- 10"14 А.
Разработан и реализован способ стабилизации ВЧ напряжения на РЇІ даже в случае импульсного режима работы и его измерение с повышенной точностью: относительная погрешность не более 0,5%.
: 3. Реализован способ фотографической регистрации внешней формы разряда, импульсов фототока (с помощью ФЭУ) и токовых (электрических) импульсов ВЧ разряда на фоне высокочастотной составляющей тока в исследуемом диапазоне частот.
Разработан и реализован способ измерения времени формирования предразрядных процессов, т.е. промежутка времени с начала возникновения первичных электронов, инициирующих предразрядные процессы, до момента появления первых импульсов разряда (стримера или импульса Тричела).
Разработан и реализован способ измерения вероятности возникновения ВЧ разряда либо в +ПП, либо в -ПП ВЧ на смешанном напряжении и при перенапряжениях.
Результаты исследования вносят вклад в понимание физики возникновения и развития предразрядных явлений и первых импульсов, инициирующих ВЧ разряд в тот или иной полупериоды ВЧ напряжения.
На основании полученных результатов предложены оригинальные модели формирования ВЧ разряда на частотах как ниже, так и выше первой критической частоты.
Апробация результатов
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах и конференциях:
на итоговых научных конференциях Хабаровского государственного педагогического университет
а с 1!Ш 1IU199911.,на П Всесоюзном совещании по физике электрического пробоя газов (Тарту, 1984 г.);
на III Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Киев, 1986 г.);
на IV Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Махачкала, 1988 г.);
на VII Международном симпозиуме по элементарным процессам и химическим реакциям в низкотемпературной плазме (Чехословакия, Стара Тура-Дубник, 1988 г.);
на Всесоюзном семинаре по высокочастотному пробою газов (Тарту, 1989 г.);
на V Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Омск, 1990 г.);
на международной научно-технической конференции АПЭП-92 (Новосибирск, 1992 г.); ..;.
на XXI международной конференции по > ионизованным газам (Германия, Бохум, 1993 г.);
на 11-ой международной конференции по газовым разрядам и их применениям (Япония, Токио, 1995 г.).
на ХП-ой международной конференции по газовым разрядам (Германия, Грейфсвальд, 1997 г.).
на международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям (Беларусь, Минск, 1997 г.).
По материалам диссертации опубликовано 25 печатных работ.
Структура и объем диссертации
