Оптические и электрические исследования однородного ВЧ разряда в воздухе в диапазоне частот 0,15-1,5 МГЦ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

РГБ ОД

1 3 ДЕК 1ПМ

На правах рукописи

Бесхлебный Сергей Игнатьевич

ОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОДНОЭЛЕКТРОДНОГО ВЧ РАЗРЯДА В ВОЗДУХЕ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 0,15 - 1,5 МГЦ

01.04.04 - физическая электроника, 01.04.05 - оптика.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Хабаровск - 2000

Работа выполнена в Хабаровском государственном педагогическом университете

и

Тартуском государственном университете

Научные руководители: кандидат физико-математических наук,

доцент Куду К.Ф.;

кандидат физико-математических наук, доцент Жуков А.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Верхотуров А.Д.; кандидат физико-математических наук, доцент Воропаев С.Ф.

Ведущая организация: Хабаровский государственный техничесы

университет

Защита состоится 21 декабря 2000 г. в 12 Часов на заседай! диссертационного совета К 114. 12. 01 по адресу: г. Хабаровск, ул. Серышева, 4 Дальневосточный государственный университет путей сообщения, ауд. 204

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточно] государственного университета путей сообщения

Автореферат разослан '¿I/ " ноября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета К 114. 12. 01, кандидат техни- /'

ческих наук, доцент /(^оХ Шабалина

у?3ОЗ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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, 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 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 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), полем положительного объемного заряда (р+), накапливающегося внутри РП на частотах больших первой критической частоты (^1). Эксперименты

показали, что наряду с накоплением р+ имеет место накопление также и отрицательного объемного заряда (р.) внутри РП, причем даже на частотах меньших 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 одноэлекгродного 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

' 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:

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 постоянног о 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;

3. 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 (11=) и переменной (и.) составляющими, в случае их одновременной подачи на РП, т.е. смешанном напряжении (исм);

4. изучение вероятности возникновения разряда в положительный (+ПГ1) или отрицательный (-ПП) полупериоды ВЧ напряжения и времени формирования предразрядных процессов в зависимости от величины напряжения на РП, превышающем его пороговое значение (11а), т.е. при перенапряжениях;

5. 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 отрицательного объемных зарядов как на частотах выше, так и ниже первой критической.

2. Впервые проведены оптические исследовшшя по возникновению и временному развитию предразрядных импульсов, предшествующих первым импульсам, инициирующим ВЧ разряд в области первой критической частоты.

3. Впервые проведены оптические и электрические исследования по возникновению и пространственно-временному развитию первых импульсов, инициирующих разряд, в области первой критической частоты.

4. Впервые исследована вероятность возникновения разряда в тот или иной полупериод переменного напряжения в области первой критической частоты в зависимости от частоты приложенного напряжения и соотношения между различными составляющими смешанного напряжения.

5. 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.

6. 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 второй на частотах больших

Научная и практическая значимость работы

1. Реализован способ измерения величины накапливающегося внутри РП положительного и отрицательного объемных зарядов, при этом наибольшая чувствительность аппаратуры, регистрирующей ток, была порядка 10"15 + 10"14 А.

2. Разработан и реализован способ стабилизации ВЧ напряжения на P1I 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.

4. 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).

5. Разработан и реализован способ измерения вероятности возникновения ВЧ разряда либо в +ПП, либо в -ПП ВЧ на смешанном напряжении и при перенапряжениях.

6. 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.

7. 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:

1. на итоговых научных конференциях Хабаровского государственного педагогического университета il 1!Ш 1IU 1999 П.,

2. на П Всесоюзном совещании по физике электрического пробоя газов (Тарту, 1984 г.);

3. на III Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Киев, 1986 г.);

4. на IV Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Махачкала, 1988 г.);

5. на VII Международном симпозиуме по элементарным процессам и химическим реакциям в низкотемпературной плазме (Чехословакия, Стара Тура-Дубник, 1988 г.);

6. на Всесоюзном семинаре по высокочастотному пробою газов (Тарту, 1989 г.);

7. на V Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Омск, 1990 г.);

8. на международной научно-технической конференции АПЭП-92 (Новосибирск, 1992 г.);

9. на XXI международной конференции по > ионизованным газам (Германия, Бохум, 1993 г.);

10. на 11-ой международной конференции по газовым разрядам и их применениям (Япония, Токио, 1995 г.).

11. на ХИ-ой международной конференции по газовым разрядам (Германия, Грейфсвальд, 1997 г.).

12. на международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям (Беларусь, Минск, 1997 г.).

По материалам диссертации опубликовано 25 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 189 наименований. Общий объем работы составляет 142 страниц, включая рисунки и таблицы.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. На частотах в окрестности первой критической частоты, в указанном выше диапазоне частот, для исследуемых промежутков имеет место накопление как положительного, так и отрицательного объемного заряда внутри разрядного промежутка. Это и является причиной снижения порогового напряжения ВЧ разряда в рассматриваемом диапазоне частот по отношению к его значению на постоянном напряжении.

2. Зажигание одноэлектродного ВЧ разряда в воздухе при нормальных условиях в области первой критической частоты осуществляется либо предначаль-ным стримером в момент максимально го значения напряжения во время его положительного полупериода, либо импульсом Тричела в момент его максимального значения во время отрицательного полупериода.

3. Вероятность возникновения разряда в тот или иной полупериоды переменного напряжения зависит от частоты приложенного напряжения и его величины, а также от величины и знака постоянной составляющей смешанного напряжения, то есть когда к острию одновременно приложено как ВЧ напряжение, так и постоянное (любой полярности): на частотах меньших первой критической разряд преимущественно инициируется импульсами Тричела во время отрицательного полупериода; на частотах больших первой критической, наоборот, он преимущественно инициируется предразрядными стримерами во время положительного полупериода ВЧ напряжения.

4. Условия для возникновения предначального стримера или импульса Тричела (в соответствующие полупериоды ВЧ напряжения) подготавливаются

слабыми прсдразрядными импульсами, появляющимися в момент максимального его значения в время положительного полупериода, что приводит к накоплению объемного заряда внутри разрядного промежутка.

5. Характер развития амплитуды предразрядных импульсов с течением времени, с момента их регистрации и до момента возникновения первых импульсов, инициирующих ВЧ разряд, при пороговом значении приложенного напряжения, зависит от частоты этого напряжения. На частотах меньших первой критической их амплитуда в среднем остается на одном уровне в течение указанного промежутка времени (который, кстати, может достигать нескольких сотен периодов ВЧ напряжения). На частотах больших первой критической четко регистрируется резкое увеличение амплитуды предразрядных импульсов от одного полупериода к другому, т.е. имеет место «раскачка» их по амплитуде.

6. Время формирования предразрядных процессов (т.е. промежуток времени, измеряемый от момента регистрации предразрядных импульсов до появления первых импульсов, инициирующих разряд, см. п. 2-4-5) зависит от частоты приложенного напряжения и от его величины. Когда напряжение на острие незначительно превышает пороговое значение и при уменьшении приближается к нему, время формирования предразрядных процессов асимптотически стремится К бесконечности (ось ординат - асимптота) для всех исследуемых промежутков в указанном диапазоне частот. Если величина приложенного напряжения превышает пороговое значение на 2-гЗ% и более, то время формирования предразрядных процессов асимптотически стремится к значению равному половине полупериода (Т/2) соответствующего ВЧ напряжения, приложенного к острию (асимптота - прямая, параллельная оси абсцисс на уровне I - Т/2).

7. Предлагаются две различные качественные модели развития ВЧ разряда: одна из них действует на частотах меньших первой критической, вторая -на частотах больших первой критической. В первом случае считается, что в формировании первого импульса, инициирующего разряд (импульса Тричела, см. п. 2 и 3), существенную роль играет положительный объемный заряд, оставляемый одиночным предразрядным импульсом, прошедшим во время положительного полупериода, во время последующего отрицательного полупериода. Во втором случае происходит постепенное ШШШШШЦ НШилтилшкии иииишт»-го заряда от полупериода к полупериоду, что приводит к образованию плазмы у поверхности острия и последующему развитию предначального стримера во время одного из положительных полупериодов напряжения, приложенного к острию.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы. Формулируется цель и задачи диссертации. Кратко изложено содержание работы и сформулированы защищаемые положения.

В первой главе приводится анализ данных по одноэлекгродному ВЧ разряду и по коронным импульсам постоянного напряжения (стример, импульс

Тричела), с которыми связывают возникновение одноэлектродного разряда в рассматриваемом диапазоне частот.

В первой части обзора рассматриваются общие представления о коронном разряде, а также физические модели развития вспышечных импульсов и стримеров для положительной короны и импульсов Тричела для отрицательной короны.

Во второй части обзора рассматриваются особенности возникновения и развития одноэлектродного ВЧ разряда. Анализируются физические основы классификации форм одноэлектродного ВЧ разряда, такие как высокочастотный коронный (ВКР) и высокочастотный факельный (ВФР) разряды. Подробно рассматриваются причины, приводящие к снижению порогового напряжения ВЧ разряда по отношению к пороговому значению на постоянном напряжении и роль объемного заряда в механизме формирования ВЧ разряда.

Приводится анализ известных по литературе вольт-вольтовых характеристик (ВВХ) разряда на смешанном напряжении и результаты таких исследований.

Поднимается вопрос о вероятности возникновения ВЧ разряда в положительный и отрицательный полупериоды приложенного напряжения в зависимости от его частоты и величины перенапряжения на разрядном промежутке.

Рассматриваются результаты по измерению времени формирования пред-разрядных процессов в зависимости от частоты и величины напряжения, прикладываемого к РП.

Во второй главе рассматривается экспериментальная установка для исследования характеристик объемных зарядов накапливающихся в разрядном промежутке перед пробоем, а также аппаратура для наблюдению за световыми и токовыми импульсами ВЧ разряда (в том числе и наблюдения за внешней формой разряда).

В параграфе 2.1 обосновывается выбор условия эксперимента: геометрия разрядного промежутка, газовая среда, выбор материала электродов.

В параграфе 2.2 рассматривается схема установки, созданной в ХГПУ, по измерению р±, накапливающегося внутри разрядного промежутка, и результаты этих исследований в указанном диапазоне частот (в окрестности Гкр)).

В параграфе 2.3 представлена блок-схема установки, созданной в Тартуском государственном университете, с помощью которой возможно было наблюдать за внешней формой разряда, исследовать зависимость распределения свечения как импульсов короны постоянного напряжения (стримеров или импульсов Тричела), так и первых импульсов, инициирующих ВЧ разряд, изучить зависимость вероятности возникновения разряда в +ПП от частоты переменного напряжения и соотношения между постоянной и переменкой составляющей смешанного напряжения, а также исследовать развитие предразрядных импульсов в рассматриваемых условиях.

На рис.1 а и б приведены зависимости распределения свечения (А) вдоль оси разрядного промежутка для стримеров и импульсов Тричела (сплошные точки - •) соответственно, и первых импульсов ВЧ разряда, возникающего в +ПП и -ПП, соответственно: о - Г = 1,46 МГц; Д - Г = 0,74 МГц; □ - Г

= О 17 МГц Как эти кривые, так и фотографирование внешней формы разряда однозначно подтверждают, что ВЧ разряд в области первой критической частоты (^0 инициируется либо предначальными стримерами (в +ПП), либо импульсами Тричела (в -ПП).

Рис. 1. Зависимости интенсивности свечения импульсов короны постоянного напряжения и первых импульсов разряда от расстояния до вершины острия: а) - для предначальных импульсов положительной короны и первых импульсов разряда, возникающего во время +ПЦ б) -для импульсов Тричела и первых им-пульсов разряда, возникающего во время -ПП. Здесь ■ - стример или импульс Тричела короны постоянного напряжения, о - {= 1,46МГц, О - { = 0,74 МГц, □ - f = 0,17 МГц.

В параграфе 2.4 приводятся результаты наблюдения за предразрядными импульсами, которые предшествуют первым импульсам ВЧ разряда. На рис.2 а, бив представлены осцилл&ГрШМЫ ршши лиа ишуллиш (гшлу'шшш! я по мощью ФЭУ) для частот 0,15; 0,68 и 1,38 МГц, соответственно.

Эти исследования приводят к следующим выводам:

1. на частоте 0,15 МГц амплитуда предразрядных импульсов не имеет тенденции к увеличению с момента их регистрации и до возникновения ВЧ разряда, она только хаотически меняется относительно некоторого среднего уровня. Регистрировать импульсы можно задолго до возникновения разряда (в нашем случае за-100Т и более, где Т - период ВЧ напряжения);

2. на частотах 0,68 и 1,38 МГц наблюдается увеличение амплитуды предразрядных импульсов (по мере приближения момента времени к возникновению ВЧ разряда). Это увеличение обнаруживается практически с момента их регистрации. Причем, чем выше частота, тем за большее количество периодов до начала ВЧ разряда отмечается рост амплитуды предразрядных импульсов;

а б в

Рис. 2. Осциллограммы высокочастотного напряжения приложенного к острию - верхний луч и осциллограммы фототока пред-разрядных импульсов - нижний луч. Вертикальной (белой) стрелкой отмечен момент возникновения ВЧ разряда На рис. 2 а)- {= 0,15 МГц, д лительность развертки 1р = 300 мкс; 2 б) - {-0,7 МГц и 1р = 100 мкс; 2в) - Г = 1,4 МГц н1р = 50 мкс.

3. во всех случаях удается регистрировать предразрядные импульсы в максимум напряжения и во время -ПЛ. Амплитуда предразрядных импульсов в -ПП примерно на порядок меньше, чем в +ПП. Перед возникновением разряда на частотах 0,68 и 1,38 МГц амплитуда импульсов, возникающих в -ПП, также увеличивается, но всегда остается меньше амплитуды импульсов, возникающих в+ПП;

4. предразрядные импульсы, возникающие в +ПП, по своим амплшудным и временным характеристикам подобны вспышечным импульсам положительной короны;

5. особенности в развитии предразрядных импульсов, по-видимому, указывают на различие в процессах формирования разряда на крайних частотах исследуемого диапазона (0,15 и 1,5 МГц).

В третьей главе приведены результаты исследования ВЧ разряда на смешанном напряжении, т.е. когда к острию одновременно приложено как постоянное, так и ВЧ напряжения. Численное значение модуля амплитуды смешанного напряжения вычислялось по формуле |и*м| = |и*| + ¡и* I, где |и* I- модуль постоянной составляющей смешанного напряжения соответствующей полярности; | и* | - модуль амплитудного значения переменной составляющей во время +ПП, если постоянная составляющая положительная, или во время -ПП, если она отрицательная. Подробно рассмотрены характерные участки так называемых вольт-вольтовых характеристик разряда (ВВХ), т.е. когда по оси абсцисс откладывается постоянная составляющая, а по оси ординат - переменная составляющая смешанного напряжения. Точки на плоскости соответствуют пороговому значению величины смешанного напряжения (иш). На этих же характеристиках приведены стилизованные осциллограммы первых импульсов фото-

тока разряда (полученные с помощью ФЭУ) для соответствующих соотношений постоянной и переменной составляющих смешанного напряжения. Эксперименты также показали, что ВЧ разряд возникает преимущественно во время -ГОТ напряжения, если ?< Гкр,, и во время +ПП, если >

Результаты непосредственных измерений вероятности возникновения разряда на смешанном напряжении в ±ПП показали, что она зависит от соотношения постоянной и переменной составляющих. При этом, если положительная постоянная составляющая превышает 0,5 кВ, то высокочастотная вспышка инициируется с вероятностью (Р+) равной 100% во время +ПП (Р+ = 100%). Уменьшение этой составляющей на 200-г300 В приводит к тому что ВЧ вспышка уже преимущественно возникает во время -ПП,

Наблюдение за прсдразрядными импульсами при подаче смешанного напряжения показало, что максимальное число этих импульсов до возникновения первых импульсов, инициирующих ВЧ разряд, наблюдается при отсутствии постоянной составляющей смешанного напряжения (т.е. при «чисто» ВЧ напряжении наРП).

Различие в вероятности возникновения разряда во время ±ПП ВЧ напряжения в зависимости от соотношения между составляющими и, и и. смешанного напряжения и частоты переменной составляющей и в этом случае позволяет предположить о совершенно разных механизмах формирования разряда на частотах меньших и больших первой критической частоты.

В четвертой главе рассмотрены особенности экспериментальной установки и методики измерения времени формирования предразрядных процессов от величины перенапряжения на острие, а также вероятность возникновения разряда в тот или иной полупериоды ВЧ напряжения. Под временем формирования предразрядных процессов понимался промежуток времени от момента создания первичных электронов в зоне ионизации до момента возникновения первых импульсов, инициирующих ВЧ разряд (стримера или импульса Тричела).

Особенностью экспериментальной установки в данном случае являлось то, что эффективные электроны инициировались с помощью облучения поверхности кончика острия УФ светом от дополнительного искрового разрядника. Про-

'111 1 т—у—"""-----щ^ш^щ^т. няппя^ения вс-

личиной 10 кВ и длительностью ~10нс, который формировался тиратроном ТГИ-400/16. Длительность вспышки света от искры, направляемой на острие, равнялась -200 не, а форма импульса фототока (по ФЭУ) была колоколообразной. За счет такого способа создания эффективных электронов удалось устранить стаги-стическое время запаздывания разряда, связанное с вероятностью появления электрона у поверхности острия в случае использования радиоактивного препарата для их инициирования. Другими словами, время формирования разряда от-считывалось с момента возникновения искры до момента появления первых импульсов разряда. Момент запуска тиратрона синхронизировался с ВЧ напряжением так, чтобы пробой искрового разрядника всегда происходил при одном и том же мгновенном значении переменного напряжения: в момент максимального его значения во время -ПП.

п

На разрядный промежуток подавался радиоимпульс (импульс напряжения высокой частоты) длительностью ~20с и периодом повторения 1+3 с. За пороговое напряжение ВЧ разряда принималось такое напряжение при котором 50% всех поданных радиоимпульсов приводили к возникновению разряда. Величина перенапряжения вычислялась по формуле 5 = (1)_- Ц^/Ць, где и_ - амплитудное значение переменного напряжения на острие; Ць - амплитудное значение порогового напряжения ВЧ разряда. Вычисление среднего значения времени формирования предразрядных процессов (1п) проводилось по 100 и более измерениям. Статистическая обработка результатов измерения осуществлялась с помощью ЭВМ «Наири - К». Исследование вероятности возникновения разряда проводилось по той же методике, которая описана в гл. 2.

Основные выводы из этих экспериментов следующие:

1. время формирования предразрядных процессов наибольшее при напряжениях на острие близких по величине к пороговым значениям. При этом в измеряемых значениях 1„ наблюдается наибольший разброс. С увеличением перенапряжения время развития предразрядных процессов быстро уменьшается (по экспоненциальному закону или даже быстрее), стремясь к значению равному половине периода (Т/2) для каждой частоты исследуемого напряжения (5 = 2,5%);

2. с увеличением перенапряжения растет вероятность возникновения ВЧ разряда во время +ПП и уменьшается количество регистрируемых предразрядных импульсов. При 5 в 3%, когда амплитуда переменного напряжения становится сравнимой с пороговым напряжением предначальных стримеров на положительном постоянном напряжении (ия), предразрядные импульсы практически перестают регистрироваться;

3. зависимость вероятности возникновения разряда во время +ПП (Р+) от величины перенапряжения на частоте 0,15 МГц имеет простой вид: чем больше 5, тем больше Р+. Вероятность возникновения разряда в +ПП становится преобладающей при значениях 5 = 3%, когда амплитуда переменного напряжения и_ превышает ия. На частотах 0,68 и 1,38 МГц зависимость Р+ = Г(5) более сложная: в начале Р+ уменьшается с ростом 6, достигая минимального значения при 5 = 3%, при этом предразрядные импульсы практически перестают регистрироваться; дальнейшее увеличение перенапряжения приводит к росту вероятности Р\ но теперь уже и_ превышает ия.

Эти эксперименты также позволяют сделать некоторые предположения о механизме развития предразрядных процессов, о роли положительного и отрицательного объемного заряда в нем и вероятности возникновения ВЧ разряда в тот или иной полупериоды переменного напряжения.

В пятой главе приводятся обсуждения полученных в главах 2-4 результатов. Предполагается, что развитие разряда на частотах меньших первой критической и на частотах больших первой критической частоты происходит благодаря действию совершенно различных механизмов.

Учитывая характер поведения в развитии предразрядных импульсов от

полупериода к полупериоду на частотах меньших первой критической, предполагается, что на формирование первого импульса ВЧ разряда (импульса Тричела во время -ПП) в этом случае основную роль играет «разовый» положительный объемный заряд, оставляемый предразрядным импульсом, прошедшим в предшествующий +ПП. Поле этого объемного заряда искажает (усиливает) внешнее поле у поверхности острия, созданное напряжением приложенным к острию, во время последующего отрицательного полупериода ВЧ напряжения. Принимая количество положительных ионов в предразрядном импульсе примерно равным их числу во вспышечном импульсе положительной короны (Ы+ ~ 2107), можно было оценить поле создаваемое ими в зоне ионизации. Результирующее электрическое поле в этом случае, как показали количественные оценки, достигает значения необходимого для развития импульса Тричела, хотя амплитудное значение ВЧ напряжения совпадает с пороговым значением напряжения вспышечной короны, т.е. ниже порогового напряжения этих импульсов на постоянном напряжении (иТг).

На частотах переменного напряжения больших первой критической частоты вступает в действие другой механизм формирования разряда. Поскольку в этом случае пороговое значение напряжения ВЧ разряда меньше порога вспы-шечных импульсов положительной короны (иВр) и, тем более, меньше порогового напряжения предначальных стримеров, мы предполагаем, что здесь имеет место накопление положительного объемного заряда внутри зоны ионизации от полупериода к полупериоду как во время +ПП, так и во время -ПП.

Методом численного интегрирования, используя некоторые упрощающие предположения, были рассчитаны размеры лавин проходящих во время +ПП и -ПП, а также оценено искажающее действие положительного объемного заряда, оставляемого лавинами в оба полупериода. Искажающим действием образующегося отрицательного объемного заряда мы пренебрегали, т.к. полагали, что он может накапливаться за границей зоны ионизации (достаточно далеко от острия). В сильном же электрическом поле внутри зоны ионизации отрицательные ионы разваливаются, играя лишь роль поставщиков вторичных электронов во время +ПП ВЧ напряжения. Результаты расчета распределения плотности поло-

шей во время -ПП, (кривая Г' и лавиной, прошедшей во время +ПП, (кривая 2*) показаны на рис. 3. Здесь же показано распределение числа положительных ионов в лавине (М+) в зависимости от ее длины (т.е. пройденного ею пути) для обеих лавин: 1 - для лавины прошедшей во время -ПП; 2- во время +ПП. Вертикальными штриховыми линиями на рис. 3 показаны граница зоны ионизации (ЬО и расстояние проходимое положительными ионами за четверть периода ВЧ напряжения (Ьд).

8-Ю

6-1С

4-Ю

2-10

и |

Л 1 1 1

,1-2 1 1 _

0.1

0.2

0.3

ю 0-10

6-10

ю +10

« 2-10

Ним)

Анализ приведенных распределений и р+, с учетом характера дрейфа

положительных ионов, показал, что в основном накопление положительного заряда в зоне ионизации обусловлено лавинами проходящими во время -ПЛ. Искажающее действие поля объемного заряда, как показали расчеты, приведет к увеличению числа лавин, развивающихся одновременно, как в положительный, так и отрицательный полупериоды (на это указывает и характер изменения амплитуды предразрядных импульсов, когда f > Гкр,). Накопление положительного объемного

заряда у поверхности острия приводит к образованию слоя плазмы из которого, в последствии, развивается катодонаправленный стример во время +ПП переменного напряжения.

Эти два механизма формирования предразрядных процессов позволяют на качественном уровне дать удовлетворительное объяснение полученным экспериментальным результатам, что, как мы считаем, подтверждает возможность существования рассматриваемых моделей.

Рис. 3. Распределения числа положительных ионов и плотности объемного заряда Р+ вдоль оси разрядного промежутка: кривые 1 и1* -для лавины прошедшей в-ПП, соответственно; 2 и 2*-для лавины прошедшей в +ПП, соответственно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приступая к работе, мы ставили своей задачей расшифровать механизм развития высокочастотного разряда в промежутках с резко неоднородным электрическим полем в области первой критической частоты. Другими словами, понять причины снижения напряжения возникновения ВЧ разряда в окрестности первой критической частоты, что очень важно с практической точки зрения при оценке пороговых напряжений пробоя для конструкторов различной ВЧ аппаратуры.

Было известно, что ВЧ разряд в промежутке типа острие - плоскость может возникать (инициироваться) как в положительный полунериод (+ПП), так и в

отрицательный (-ПП). Поэтому наши исследования начались с наблюдения за формой импульсов тока и распределением свечения вдоль оси разрядного промежутка, обусловленные именно первыми импульсами, инициирующими развитие разряда при любой полярности ВЧ напряжения на остриевом электроде в этот момент. Результаты этих исследований убедительно подтвердили высказанное ранее предположение, что если разряд инициируется во время +ПП, то первый импульс разряда, дающий толчок к его развитию, подобен предначальному стримеру положительной короны на постоянном напряжении для электродов такой же конфигурации (геометрии). При этом, чем ниже частота приложенного напряжения, тем больше сходство между формой импульса тока и распределением свечения для обоих импульсов. Если разряд возникает во время -ПП, то указанные выше характеристики первого импульса ВЧ разряда весьма близки к подобным характеристикам импульсов Тричела отрицательной короны постоянного напряжения. При этом, впервые было показано, что если разряд инициируется импульсом Тричела на частотах переменного напряжения, близких к первой критической частоте или несколько превышающей ее, то в следующим за этим -ГШ, то есть в последующий положительный полунериод (+ПП), также возникает импульс, по своим характеристикам подобный характеристикам предначального стримера короны постоянного напряжения, правда, сходство это более отдаленное, чем для случая развития ВЧ разряда в +ПП.

Поскольку исследования порогового напряжения ВЧ разряда при одновременном наложении на острие постоянного напряжения и= и напряжения высокой частоты 11. (так называемое смешанное напряжение) позволяет получать дополнительную информацию о различных формах развития разряда и о полярности полупериода, с которого он начинает развиваться, то следующий этап нашей работы заключался в тщательном исследовании и систематизации так называемых вольт-вольтовых (ВВХ) характеристик. Одновременно с получением ВВХ велись наблюдения за формой нескольких первых световых импульсов разряда, а также, впервые подсчитывалось число разрядов, возникающих в тот или иной полупериод ВЧ напряжения.

Результаты этих исследований также подтвердили возможность возникно-

так и в отрицательный полупериоды ВЧ напряжения. Однако, если до наших исследований не было однозначной картины и ее интерпретации относительно зависимости вероятности возникновения ВЧ разряда в тот или иной полупериод приложенного напряжения, то теперь этот вопрос был расшифрован. Впервые было экспериментально показано, что на частотах переменного напряжения, заметно меньших первой критической, разряд, преимущественно, возникает в -ПП, на частотах, превышающих первую критическую - в +ПП, в окрестности же первой критической частоты (^0 имеется некоторый интервал частот, в котором осуществляется соответствующее изменение указанной вероятности.

Наблюдения за развитием последующих (за первым) импульсов разряда как на ВЧ, так и смешанном напряжении показали, что при возникновении разряда в +ПГ1 далее идет постепенная "раскачка" амплитуды последующих им-

пульсов и переход разряда в ту или иную устойчивую форму. При возникновении разряда в -ПП с импульсов Тричела, развитие разряда к установившейся форме не происходит пока не появятся импульсы тока во время +ПП.

Одним из важных результатов нашей работы явилось систематическое исследование развитие так называемых предразрядных импульсов разряда, которые были обнаружены раньше. С этой целью производилось измерение времени формирования предразрядных процессов, то есть промежутка времени от момента создания электронов у поверхности острия (и в объеме газа), инициирующих развитие предразрядных процессов, до момента возникновения первого импульса (стримера или импульса Тричела), запускающих механизм развития собственно самого разряда (вглубь промежутка и к какой-либо установившейся форме).

Было убедительно показано, что возникновению первого импульса, инициирующего разряд в любой полупериод, предшествует серия предразрядных импульсов, амплитуда которых сначала на несколько порядков меньше разрядных импульсов. От периода к периоду амплитуда нарастает, что и приводит, в конце концов, к созданию условий для развития первого импульса, запускающего разряд. Время этого нарастания (время развития предразрядных процессов) зависит от величины перенапряжения, а также от частоты приложенного напряжения: чем больше перенапряжение, тем оно меньше и, чем выше частота переменного напряжения, тем оно меньше. На частотах, значительно меньших Гкр,, предразрядные импульсы регистрируются исключительно в +ПП, а их амплитуда практически не возрастает от периода к периоду, хаотически колеблясь около некоторого среднего уровня. На частотах в окрестностях и выше при развитии серии предразрядных импульсов в +ПП имеет место быстрое возрастание их амплитуды по мере приближения к моменту возникновения разряда, а за несколько периодов до возникновения стримера наблюдаются предразрядные импульсы и в -ПП.

Перечисленные выше результаты эксперимента позволили нам впервые предложить две модели развития разряда. Одна из них действует на частотах, меньших первой критической, а вторая - на частотах, выше первой критической частоты. Обе предложенные модели не противоречат общепринятым взглядам на процессы, происходящие в плазме газового разряда, и позволяют объяснить ряд экспериментальных фактов как полученных нами, так и другими экспериментаторами.

Подводя итоги проделанной нами работы, можно выделить следующие основные результаты:

1. Проведено систематическое наблюдение за формой импульсов тока и распределением свечения первых импульсов, инициирующих разряд. Доказано, что эти импульсы представляют предначальный стример, если разряд возникает в +ПП, либо импульс Тричела, если разряд возникает в -ПП;

2. Были проведены систематические исследования воль-вольтовых характеристик ВЧ разряда при одновременном наблюдении за серией импульсов тока разряда, которые показали, что и на смешанном напряжении разряд может инициироваться либо стримером (в +ПП), либо импульсом Тричела (в -ПП);

3. Впервые были проведены подробные исследования вероятности возникновения разряда в тот или иной полупериод приложенного ВЧ напряжения как в отсутствии, так и при наличии постоянной составляющей смешанного напряжения. Показано, что на частотах, меньших первой критической, разряд, преимущественно, возникает в -ПП, на частотах, больших первой критической, в

+ пп. ;

4. Впервые была исследована зависимость времени формирования пред-разрядных процессов от перенапряжения й частоты приложенного напряжения. Показано, что время формирования быстро уменьшается с ростом перенапряжения. На более высоких частотах, при одинаковых перенапряжениях, время формирования меньше, чем на низких частотах;

5. Впервые были проведены тщательные исследования предразрядных импульсов в зависимости от частоты и величины приложенного напряжения. Показано, что на частотах, меньших первой критической, имеют место предраз-рядные импульсы только во время +ПП, причем их амплитуда не изменяется с течением времени (при приближении к моменту возникновения разряда), а только хаотически колеблется около некоторого среднего уровня. На частотах, больших первой критической, наблюдается существенный рост амплитуды предразрядных импульсов, возникающих первоначально в +ПП, за время их развития перед возникновением разряда. Кроме того, за несколько периодов до возникновения разряда на этих частотах появляются предразрядные импульсы в -ПП.

6. Благодаря полученным экспериментальным результатам, были впервые предложены две возможных модели развития ВЧ разряда. Одна из них предполагает механизм развития разряда на частотах меньших первой критической, во время -ПП. Вторая - интерпретирует механизм развития разряда на частотах, больших первой критической, во время +ПП.

7. Были проведены количественные расчеты распределения электрического поля вдоль оси разрядного промежутка с учетом образованного или накапливаемого объемного заряда внутри разрядного промежутка для каждой из рассматриваемых моделей с помощью ЭВМ. Результаты этих расчетов подтверждают возможность существования рассматриваемых механизмов.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Айнтс М.Х., Бесхлебный С.И., Куду К.Ф. Наблюдение за возникновением и развитием световых и токовых импульсов ВЧ короны в диапазоне частот 0.15-1.5 МГц. - Уч. зап. Тарг. ун-та. - 1977. - Вып. 443. - С. 21-39.

2. Бесхлебный С.И., Жуков А.А., Крупиц В.Н., Микицей Я.И., Цыкун Н.К. Накопление положительных и отрицательных ионов в разрядном промежутке острие-плоскость электрическом поле на частотах 0.5-1.0 МГц. - Уч. зап. Тарг. ун-та. - 1983.-Вып. 648.-С. 3-11.

3. Бесхлебный С.И., Жуков A.A., Крупин В.Н., Микицсй Я.И., Цыкун Н.К. Накопление положительных и отрицательных ионов в неоднородном электрическом поле на частотах 0.5-1.0 МГц // Тезисы докл. II Всесоюзн. совещан. по физике электрического пробоя газов. - Тарту. - 5-8 июня, 1984. - 4.1 - С. 97-99.

4. Бесхлебный С.И., Куду К.Ф. Экспериментальные исследования одно-электродного ВЧ разряда в диапазоне частот 0.15-1.5 МГц. // Тезисы докл. II Всесоюзн. совещан. по физике электрического пробоя газов. - Тарту. - 5-8 июня, 1984.-4.1-С. 100-101.

5. Бесхлебный С.И., Жуков A.A. Электронная стабилизация величины высокочастотного напряжения. - Уч. зап. Тарт. ун-та. - 1984. - Вып. 669. - С. 99-108.

6. Бесхлебный С.И., Жуков A.A., Куду К.Ф. К механизму возникновения одноэлектродного разряда на частотах меньших первой критической // Тезисы докл. III Всесоюзн. конф. по физике газового разряда. - Киев. - 21-23 окт., 1986. -4.1 - С. 77-79.

7. Бесхлебный С.И., Куду К.Ф. Исследование возникновения одноэлектродного ВЧ разряда на смешанном напряжении. - Уч. зап. Тарт. ун-та. - 1988. -Вып. 809. - С. 27-43.

8. Бесхлебный С.И., Куду К.Ф. Исследование возникновения одноэлектродного ВЧ разряда при перенапряжениях. - Уч. зап. Тарт. ун-та. - 1988. - Вып. 809. - С. 44-54.

9. Бесхлебный С.И., Жуков A.A., Крупин В.Н., Микицей Я.И., Цыкун Н.К. Токи несамостоятельного электрического разряда в промежутке острие-плоскость в воздухе в диапазоне частот 0.03-1.0 МГц. - Уч. зап. Тарт. ун-та. -1988.-Вып. 809.-С. 55-63.

10. Бесхлебный С.И., Жуков A.A., Куду К.Ф. Возникновение неэлектродного ВЧ разряда в воздухе на частотах вблизи критической II Тезисы докл. IV Всесоюзн. конф. по физике газового разряда. - Махачкала. - 1988. - 4.1 - С. 60-61.

11.Bcskhlebny S.I., Kudu K.F. The emergence of a HF point-discharge in the laboratory air at frequencies near critical // YII Symp. on Elementary Processes and Chemical Reaction in Low Temperature Plasma. - Stara Tura-Dubnik, 13-17 June, 1988.-Pt. 2.- P. 111-120.

12. Бесхлебный С.И. Время формирования предразрядных процессов в области первой критической частоты II Всесоюзн. семинар по высокочастотному пробою газов. - Тарту. - 6-8 июня, 1989. - С. 71-73.

13. Бесхлебный С.И. Исследование электрического разряда в промежутке острие-плоскость в воздухе в диапазоне частот 0,15-1,5 МГц. - Деп. ВИНИТИ, 9.06.1989, №3858-В 89.

14. Бесхлебный С.И., Гинзбург Л.Д., Жуков A.A., Кирюкова Е.В. Влияние объемного заряда на высокочастотный пробой воздушных промежутков // В сб. «Техника средств связи», серии «Техника радиосвязи». - М.: 1990, Вып. 4. - С. 53-58.

15. Бесхлебный С.И. Возникновение одноэлектродного разряда в области первой критической частоты. - Электричество, № 8, август 1991, С. 45-49.

16. Beskhlebny S.I., Kudu K.F., Zhukov AA Threshold Voltages of the HF Discharges in the Atmospheric Air // Proc. XXI Int. Conf. on Ionized Gases (ICPIG), Bochum, sept. 19-24,1993, Pt. I, P. 77-78.

17. Электрическая изоляция высокочастотных установок высокого напряжения / Аронов М.А., Бесхлебный С.И., Гинзбург Л.Д. и др. // Под ред. М.А. Аронова, В.П. Ларионова - М.: АО «Знак», 1994.

18. Бесхлебный С.И., Жуков A.A., Крупин В.Н., Микицей Я.И., Цыкун Н.К. Наблюдения за импульсами тока короны постоянного напряжения с острий различной конфигурации // Материалы 41-й итоговой научной конференции: В 3 Ч. / Хабаровск, пед. ун-т - Хабаровск. - 1995. - Ч. 2. - С. 52-53.

19. Бесхлебный С.И., Жуков A.A., Крупин В.Н., Микицей Я.И., Цыкун Н.К. Измерение пороговых напряжений ВЧ разряда в промежутке острие-плоскость с повышенной точностью // Материалы 41-й итоговой научной конференции: В 3 Ч. / Хабаровск, пед. ун-т - Хабаровск. - 1995. - Ч. 2. - С. 54-55.

20. Бесхлебный С.И., Жуков A.A., Крупин В.Н., Микицей Я.И., Цыкун Н.К. Теоретическая оценка величины порогового напряжения ВЧ разряда в области первой критической частоты// Материалы 41-й итоговой научной конференции: В 3 Ч. / Хабаровск, пед. ун-т - Хабаровск. - 1995. - Ч. 2. - С. 58-59.

21. Beskhlebny S.I., Zhukov A.A., Krupin V.N., Mikitsey Ya.I., Tsykun N.K. Observation of the First Current Pulses of the Point-Discharge in Wide Frequency Range //11th Int. Conf. on Gas Discharges and Their Applications - Tokyo, 11th - 15th sept., 1995.

22. Бесхлебный С.И., Жуков A.A., Жуков П.А. Объяснение вольт-частотной характеристики порогового напряжения ВЧ разряда // Тезисы докл. научно-технич. конф. по проблемам «Повышение эффективности работы ЖД транспорта ДВ региона» / Под ред. С.М. Гончарука. - Хабаровск: ДВГАПС, 1995. - С.187-188.

23. Бесхлебный С.И., Жуков A.A., Крупин В.Н., Микицей Я.И., Цыкун Н.К. Измерения начальных напряжений одноэлектродного высокочастотного разряда с повышенной точностью в диапазоне частот 0,03-1,0 МГц // В сб. Оптические и электрические процессы в кристаллах: Межвуз. Сб. научн. трудов / п.— „^.„.^р^о^.л.пп яи-ялр»ня путей сообщения (Под ред. В .И.Строганова). - Хабаровск: ДВГАПС, 1996,- С.4-10.

24. Zhukov A.A., Beskhlebny S.I., Zhukov П.А, Krupin V.N., Mikitsey Ya.I., Tsykun N.K. Correction of Electrical Air Breakdown Mechanism. // Proceed. Of the Int. Conf. on Gas Discharges, Greifswald, Germany, 1997, Vol. II, P.663-666.

25. Бесхлебный С.И., Жуков A.A., Жуков П.А., Крупин В.Н., Микицей Я.И., Цыкун Н.К. Механизм ВЧ пробоя воздуха в области первой критической частоты // Материалы международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям / Минск, Беларусь, 15-19 сентября 1997, Т.4, С. 808-811.