Разряд с жидкими неметаллическими электродами в воздухе при атмосферном давлении

Баринов, Юрий Алексеевич

Разряд с жидкими неметаллическими электродами в воздухе при атмосферном давлении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Баринов, Юрий Алексеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разряд с жидкими неметаллическими электродами в воздухе при атмосферном давлении»

Автореферат диссертации на тему "Разряд с жидкими неметаллическими электродами в воздухе при атмосферном давлении"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. А.Ф. ИОФФЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

Баринов Юрий Алексеевич

РАЗРЯД С ЖИДКИМИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ В ВОЗДУХЕ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ

Специальность 01.04.08 - Физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

г и нар

Санкт-Петербург 2013

005546067

Работа выполнена в лаборатории Физики низкотемпературной плазмы Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, зав. лаб.,

Школьник Сергей Маркович

Официальные оппоненты: Голубовский Юрий Борисович

доктор физико-математических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет

Мустафаев Александр Сснт-Умерович

доктор физико-математических наук, профессор, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Защита диссертации состоится « 17 » апреля 2014 г. в 7-3 час.^^ мин, на заседании совета Д 212.232.45 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата, на соискание ученой степени доктора наук на базе Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, д.1, Малый конференц-зал физического факультета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М.Горького СПбГУ.

Автореферат разослан « '» /С{'T^i 2014 г.

Ученый секретарь совета Д 212.232.45 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата, на соискание ученой степени доктора наук на базе СПбГУ /J

доктор физико-математических наук /я/ ^— Сухомлинов B.C.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Разряд с жидкими неметаллическими (слабопроводящими) электродами в последние два десятилетия вызывает большой интерес у исследователей во всём мире. Такой разряд при питании постоянным током может устойчиво гореть в диффузной (объёмной) форме даже при высоком (-атмосферного) давлении, в том числе, и в молекулярных газах, например, в воздухе. Плотность тока в разряде ~1 А/см2, а падение напряжения в газовом промежутке между жидкими электродами ~1 кВ. Указанные свойства разряда позволяют предполагать, что разряд генерирует неравновесную плазму, несмотря на высокое давление среды, в которой он горит. С этим и связан высокий интерес к такого рода разряду, т.к. неравновесная низкотемпературная плазма находит всё более широкое применение в различных областях химии, биологии, медицины и т.д. Большой интерес, особенно для биологических и медицинских целей, для решения ряда экологических задач, представляет возможность генерации плазмы атмосферного давления с концентрацией электронов ~ 1012 см"3 и более и температурой газа ниже 2000 К. Особое место занимают генераторы низкотемпературной плазмы, работающие в атмосфере воздуха. Такие генераторы имеют дополнительные преимущества: это и отсутствие сложной дорогостоящей вакуумной техники, и часто дорогих инертных газов, и возможность обрабатывать непосредственно воздушную среду. Большинство используемых сейчас генераторов низкотемпературной плазмы работают в импульсном режиме и/или создают плазму с сильной пространственной неоднородностью. Генерация более или менее однородной плазмы с помощью разрядов постоянного тока, для питания которых могут быть использованы значительно более простые и дешёвые источники тока, сопряжено с целым рядом трудностей. В первую очередь, это контракция разряда и, как следствие, эрозия электродов. Для преодоления этих трудностей представляется перспективной идея использовать для генерации неравновесной плазмы разряды с одним или двумя жидкими неметаллическими электродами. Разряды этого типа (с одним жидким электродом) известны уже более ста лет и в настоящее время успешно используются для спектрального анализа примесей в воде и для обработки металлических поверхностей, но до сих пор остаются недостаточно исследованными. Настоящая работа ставит целью провести физические исследования электрических параметров и параметров плазмы разряда с двумя жидкими электродами из водопроводной воды в воздухе при атмосферном давлении.

Все выше сказанное позволяет считать, что исследование разряда с жидкими неметаллическими электродами в воздухе при атмосферном давлении является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является физическое исследование разряда с двумя жидкими (слабопроводящими) неметаллическими электродами в открытом воздухе и выявление направлений возможного практического применения разрядов с жидкими электродами.

В работе предполагается получить ответы на такие вопросы как:

• поиск диапазона внешних параметров, при котором реализуется устойчивое горение разряда,

• спектр излучения разряда,

• параметры генерируемой разрядом плазмы,

• направления возможного практического использования разряда.

Исследования приэлектродных процессов и, в частности, переноса заряда из жидкости

в плазму остается за рамками настоящей работы. Такие исследования должны быть предметом отдельной работы.

Научная повизпа

Впервые выполнены исследования электрических и спектральных характеристик разряда с двумя жидкими неметаллическими электродами из водопроводной воды в воздухе при атмосферном давлении. Впервые, для этого типа разряда, получены оценки концентрации электронов на оси разряда, температуры тяжелой компоненты и температуры электронов.

Практическая значимость результатов исследования

Из результатов работы видно, что исследуемый разряд генерирует существенно неравновесную плазму при атмосферном давлении в открытом воздухе. Полученные в работе оценки параметров плазмы разряда показывают, что разряд может представлять интерес для решения некоторых экологических задач.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Разряд с двумя жидкими электродами устойчиво горит в воздухе при атмосферном давлении в диффузной (объемной) форме при питании постоянным током (40 - 100) мА в межэлекгродном зазоре (4 — 10) мм при плотности тока ~1 А/см2, слабо зависящей от тока.

2. Разряд четко разделяется на две приэлекгродные области и практически однородный столб.

3. Приведенное электрическое поле в столбе составляет ~ (15 - 20) Тс}, а в приэлектродных областях достигает -100 ТУ.

4. Разряд излучает, в основном, в ультрафиолетовой областях спектра (молекулы и радикалы N2, О2, ОН, N0). В красной и инфракрасной областях наблюдаются линии излучения атомарного водорода и кислорода. Осевые распределения интенсивности излучения различных компонент плазмы имеют характерные приэлекгродные максимумы.

5. Разряд генерирует существенно неравновесную плазму. В столбе разряда температура газа ~ 2000 К, температура (средняя энергия) электронов ~ 4500 К, а их средняя концентрация = 1012 см'3.

6. Разряд является перспективным для решения ряда экологических задач, таких как очистка воды от загрязнений.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9-и статьях российских и зарубежных рецензируемых журналах и сделано 8 докладов на российских и международных конференциях:

1. Физика и Техника Плазмы, Минск, 1994.

2. XXIIIICPIG, Toulouse, 1997.

3. НТРР5, НТРР9, Saint-Petersburg, (1997,2006).

4. ФНТП-98, ФНТП-2004, Петрозаводск, (1998,2004).

5. ESCAMPIG, Grenoble, 2002.

6. IV-ISTAPC, Иваново, 2005.

Личный вклад автора

Основные результаты экспериментального исследования, изложенные в диссертационной работе, получены лично автором или при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке задачи. Автор принимал непосредственное участие в разработке экспериментальной установки. Лично автором были разработаны и изготовлены ряд приборов, используемых в эксперименте.

Структура и объем диссертации

Диссертация объемом 112 страниц, в том числе 31 рисунок, состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы, состоящего из 105 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы. Выбран объект исследования. Обозначен круг задач и определены пути их решения. Показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен краткий обзор литературы по генераторам неравновесной плазмы атмосферного давления.

В первой части обзора рассмотрены наиболее распространенные в настоящий момент, генераторы неравновесной плазмы атмосферного давления. К таким генераторам можно отнести генераторы плазмы на основе тлеющего, коронного, барьерного разрядов. Указаны диапазоны параметров плазмы, генерируемых этими типами разрядов.

Генераторы низкотемпературной неравновесной плазмы на основе тлеющего, коронного, барьерного разрядов исследуются достаточно давно и широко используются в промышленности, однако, имеют следующие недостатки:

• сложность источников питания (высокие напряжения или высокие частоты),

• небольшой объем генерируемой плазмы,

• неоднородность генерируемой плазмы.

Во второй части обзора рассмотрены генераторы на основе разрядов с жидкими электродами. Эта часть иллюстрирует современный уровень научных исследований в этой

области. На момент начала данной работы публикаций посвященных исследованию этого вида разряда было мало. В последние годы наблюдается рост интереса к разрядам с жидкими электродами, поэтому большинство исследований выполнены в эти годы. В то же время исследований посвященных изучению непосредственно плазмы разряда все еще мало. В основном, работы носят описательный характер, посвящены разряду, по своим параметрам близкому к дуговому, или описывают химические процессы в жидком электроде. Публикаций по разряду с двумя жидкими электродами, найти не удалось. В то же время такой разряд может представлять научный и практический интерес, а потому необходимо провести его физические исследования. Как будет видно далее, несмотря на схожесть разрядов с одним жидким электродом и с двумя, есть и отличия. Так, на металлическом аноде наблюдается контракция, т.е. по мере приближения к аноду плотность тока в разряде увеличивается, что в разряде с двумя жидкими электродами не наблюдается.

Во второй главе дано описание конструкции экспериментальной установки, созданной для исследования разряда с двумя жидкими неметаллическими электродами из водопроводной воды, горевшего в открытом воздухе, и методов его диагностики. Разряд питался от источника постоянного тока, обеспечивавшего ток до 0,85 А при напряжении до 5 кВ. Последовательно с разрядом было включено балластное сопротивление 10 кОм. Для создания разряда использовался разрядный узел, схематически изображённый на рис.1. Разряд горел между двумя потоками воды, стекающими по слегка наклонённым

слив, 6 - область разряда, 7— металлический электрод.

Рисунок 1 — Конструкция разрядного узла.

керамическим сливам, в которых заподлицо заделаны металлические электроды. Электроды покрыты слоем воды толщиной несколько миллиметров. Вода к разрядному узлу подводится из промежуточного резервуара, который заполняется из водопровода.

Вначале были определены диапазоны изменения межэлектродного зазора (расстояния между обращенными друг к другу поверхностями водяных электродов) и тока, при которых сохраняется устойчивое горение разряда в разработанной конструкции электродного узла. Эксперименты показали, что при использовании водопроводной воды в качестве электродной жидкости разряд может гореть устойчиво в диапазоне токов / = (40 — 100) мА и длин межэлектродного зазора £= (4 — 10) мм. При этом напряжение между металлическими электродами, покрытыми водой, составляет ~ 3 кВ, из которых, как показали зондовые измерения (см. гл. 5), примерно половина падает внутри водяных электродов. То есть, непосредственно в разряде падение потенциала составляет ~ 1,5 кВ.

За основной режим были выбраны средние значения: межэлектродный зазор — 6 мм,

тока разряда (60 - 65) мА. В этом режиме проводились все основные исследования.

Измерения тока разряда выполнялись с помощью шунта. Измерения напряжения на разряде (между металлическими электродами) - с помощью резистивного делителя.

В работе использовались следующие методы диагностики:

• спектроскопические измерения;

• измерения параметров разряда с помощью электрического зонда;

• СВЧ зондирование;.

В подразделе «Организация спектроскопических измерений» дано описание оптической схемы измерений. Исторически сложилось так, что для проведения спектроскопических измерений использовались последовательно две различные оптические схемы. Одна с использованием кварцевой линзы, другая со сферическим зеркалом. Для исследования спектров использовался монохроматор МДР-23 с дифракционной решёткой 1200 штрихов/мм. В качестве оптического приемника использовались ФЭУ-100 или камера с ПЗС линейкой. Для удобства обработки спектров потребовалось самостоятельно изготовить устройство ввода сигнала с ФЭУ в компьютер. Используемая оптическая схема обеспечивала спектральное разрешение ~ 1,5 пм и пространственное разрешение ~ 0,5 мм.

В подразделе «Организация измерений с помощью электрического зонда» описана техника зондовых измерений. Зопдовые измерения проводились с помощью цилиндрического и плоского зондов. Цилиндрический зонд был изготовлен из молибденовой проволоки диаметров 0,3 мм, длина рабочей части 1,5 мм. Плоский зонд размером 0,3x1,2 мм2 тоже был изготовлен из молибдена. При проведении зондовых измерений пришлось столкнуться с рядом трудностей. Так, для исключения разогрева и разрушения зонда, необходимо, чтобы зонд погружался в плазму кратковременно (менее секунды). Для обеспечения кратковременного введения зонда в разряд была изготовлена электромагнитная система перемещения. Другая сложность измерений заключается в том, что необходимо проводить регистрацию зондовых токов небольшой величины (единицы микроампера и менее), при этом потенциал зонда имеет большую величину (от нескольких сотен вольт до киловольта и более). Для решения этой проблемы была изготовлена специальная схема регистрации с усилителем и гальванической развязкой.

В подразделе «Организация СВЧ измерений» дано описание способа регистрации сигнала поглощения при прохождении СВЧ излучения поперёк канала разряда. В эксперименте использовался генератор с частотой 29,6/35,2 ГТц.

Для улучшения чувствительности была применена двухпроводная линия. Двухпроводная линия позволила локализовать поле СВЧ волны в области, с поперечными размерами, сравнимыми с размерами плазмы, и тем самым увеличить чувствительность.

В третьей главе приводятся результаты, полученные с помощью спектроскопической диагностики. Для анализа этих результатов использовались результаты моделирования спектра, выполненные в университете Блеза Паскаля (Франция).

Исследуемый разряд горит в атмосфере воздуха. Излучение разряда сосредоточено главным образом в ультрафиолетовой области спектра, где основной вклад в излучение вносят спектры испускания молекул Л^(нторая положительная система, переход С!1Ги —» 11'ПК), ЫО(системы у, р, е и 6, переходы А1 Г, В2Л, С2П и £>г2Г+ на Х'ГГ), ОЩА'Г ->• Х2П), 02

а) — вблизи катода, Ь) — середина межэлектродного зазора, с) — вблизи анода.

(система Шумана-Рунге, переход Д32"„ —» Х3!^. В видимой и ближней инфракрасной области спектра (450 < X < 800 )нм интенсивность излучения разряда 1х невелика. На фоне слабого континуума различимы молекулярные полосы с интенсивностью кантов, сравнимой с интенсивностью континуума. Зарегистрированы также спектральные линии атомарного кислорода (вблизи X = 777 нм), а вблизи катода - линии атомарного водорода На и Щ. Вблизи катода также зарегистрировало излучение иона N2* (первая отрицательная система, переход В2£*и —* X2 Интенсивность излучения молекулярных полос и их спектральное распределение существенно меняются вдоль оси разряда. Наиболее интенсивно излучают области, прилегающие к электродам (см. рис.2). Осевые распределения излучения молекул N2, NO и ОН, вносящих основной вклад в излучение разряда, были

спектра в зависимости от положения в межэлектродном зазоре.

1,0,

Рисунок 2-Ультрафиолетовая область подробно проанализированы (рис.3). Видно, что

максимумы интенсивности излучения всех этих

молекул расположены вблизи электродов. Лишь

излучение радикала ОН не обнаруживает прианодного

максимума. Объяснить наблюдаемые на рис.3

закономерности позволили результаты зондовых

измерений (см. гл. 4).

Радиальные распределения интенсивности

излучения абелизировались и использовались для

определения диаметра разрядного канала (ширины

N1 - (379 нм); ОН- (307 им); N0 (258 распределения на половипе высоты). Из рис.4 видно, что нм); О - (777,2+777,4+777,5) нм и 1

в основной части межэлектродного зазора (г> 2 мм)

водорода Н„ вдоль оси разряда.

Рисунок 3 — Осевое распределения интенсивностей излучения.

разряд горит внутри примерно цилиндрического канала диаметром (1 = (1,5 -2) мм, слегка расширяющегося к

аноду, т.е. плотность тока к аноду слегка падает.

NO (А-Х) ОН (А-Х) Л4 (С-Б)

X**

Рисунок 4 — Изменение диаметра канала вдоль межэлектродного зазора.

Важный параметр плазмы — температура тяжелой компоненты (температура газа - Те). Как показано в ряде работ (см., [1] и [2] и литературу в них), вращательную температуру молекул N2, полученную из спектра перехода №(С-В) (Лу = -2) можно считать с хорошей точностью равной температуре газа: ^,(N2) = Те. Эта возможность следует из того, что радиационное время жизни состояния С'Пи составляет =40" 10"'с, в то время как характерное время КГ релаксации молекул N2 при атмосферном давлении и температуре газа порядка нескольких тысяч

Кельвина составляет (2 - 10)" 10"'с, т.е. время ЯТ релаксации много меньше радиационного

времени жизни состояния С/7„. Для получения информации из сложного молекулярного спектра требуется высокое спектральное разрешение. Особенно высокие требования к спектральному разрешению предъявляются в случае, когда необходимо исследовать вращательную структуру электронпо-колебательно-вращательных молекулярных полос. Потому широкое распространение в последние десятилетия получил метод, основанный на сравнении экспериментального спектра, измеренного с помощью прибора с относительно низким спектральным разрешением (как в настоящей работе), с моделированным спектром, свёрнутым с аппаратной функцией установки, использованной в эксперименте. Моделирование неравновесной плазмы сложная задача, для решения которой часто используют упрощающие предположения. В частности, предполагается что распределения по вращательным, колебательным и электронным уровням возбуждения молекул являются больцмановскими, однако, температуры распределений по разным степеням свободы (соответственно, Т„„, Т„ь и Тсхс"") различаются [1].

Используя эту методику, были выполнены измерения распределения температуры по , . г„ оси разряда, и результат представлен на рис.5. Как

. отмечено выше, мы использовали вторую положительную

систему азота переход С3П„ —» В3Пв (Ду = -2, X =365-385 нм). Видно, что в центральной части межэлекгродного зазора газ прогревается до температуры

2 з 4 5 6 ~ 2000 К. В приэлектродных областях температура ниже,

(0 мм) — катод, (б мм) — анод. 41,0 является результатом охлаждения газа водяными Рисунок 5 - Распределение Г„„ и в электродами. В катодном конце столба (г = 2 - 2,5 мм) Т„

межэлектродном зазоре. примерно на 500 — 600 К выше, чем в анодном (г = 4,5 —

5 мм). Это объясняется отмеченным выше снижением плотности тока в столбе при движении в сторону анода. Отметим, что во всем межэлектродпом зазоре Г,,« > Тш, что характерно для плазмы молекулярных газов.

Для определения Тп„ и Тм достаточно только спектроскопических измерений, но для определения другой важной характеристики плазмы, а именно температуры электронов, приходится привлечь данные не только спектроскопических измерений, но также и результаты измерений концентрации электронов, полученные из зондовых измерений. Кроме того, необходимо использовать результаты расчёта состава плазмы. Было выполнено сравнение результатов расчёта концентрации электронов в неравновесной влажной воздушной плазме атмосферного давления с результатами зондовых измерений, позволившее определить температуру электронов (характеристическую энергию). Параметрами расчёта были влажность воздуха, отношение колебательной и вращательной температур в„,ь = ТтЬ/Т„, и отношение температуры электронов к температуре газа 0 = ТЛг. Расчёты были выполнены для условий, соответствующих катодному и анодному концам столба разряда. Значения Т„ полученные в разных концах столба оказались близки: в катодном конце столба Те~ 4600 К, а в анодном Те~ 4400 К.

В четвертой главе рассказывается о результатах использования электрических зондов для диагностики разряда. Зондовые измерения обладают рядом достоинств, среди которых - простота постановки эксперимента и локальность измерений. Кроме того, зондовые измерения - практически единственный способ измерения такого важного параметра

2, шт 12 3 4

-0.6 -0.8

-1.6

„4-

плазмы, как её потенциал. В эксперименте использовались цилиндрические и плоские молибденовые зонды. Цилиндрические зонды использовались для определения плавающего потенциала, плоские - для измерений переходного участка зондовой характеристики и ионного тока насыщения.

Результаты измерений потенциала плавающего зонда "приведены на рис.6. Видно, что в разряде можно достаточно отчетливо выделить приэлектродные области (прикатодную протяжённостью (2 - 2,5) мм и прианодную, протяжённостью (1-1,5) мм) и столб разряда с примерно постоянной напряженность электрического поля. Потенциал плавающего зонда 17/ можно отождествлять с потенциалом плазмы с точностью ~ к-Т/е (Т, — характеристическая энергия или «температура» электронов). Из данных, приведенных на рис. б, можно определить электрическое поле в столбе Ес= (7 - 8)103 В/см. В приэлектродных областях напряжённость поля значительно возрастает. Это объясняет наличие приэлектродных максимумов в осевых распределения интенсивности излучения.

Концентрация заряженных частиц была определена из зондовой характеристики,

которая снималась по точкам. На рис.7 приведены вольт-амперные характеристики (ВАХ)

з5он'' М|Л 1 « плоского зонда вблизи катодного и анодного концов столба

300 ^ \ (потенциал 1!р отсчитывался от потенциала плавающего зонда).

200 / ^ Вид ВАХ позволяет сделать вывод о том, что основпыми

1аз' ■* носителями электрического тока в исследуемом разряде

являются электроны. Концентрация отрицательных ионов мала

по сравнению с концентрацией электронов [3], т.о. можно

считать, что п, ~п,= п (п, — концентрация положительных

Плоский зонд обращенный к ионов) Основным носителем положительного заряда в катоду: 1 — измерения в 2,5 мм

воздушной плазме при относительно низких температурах является ион N0*.

Отличительной особенностью ВАХ является линейная

1 — катод, 2 — анод.

Рисунок 6 — Потенциал плавающего зонда.

г .'р. в

от катода, 2 — в 4,5 мм от катода.

Рисунок 7 — ВАХ зонда

зависимость тока от потенциала зонда на переходном участке при С/р> 10 В. Линейный участок на ВАХ зонда наблюдался и ранее в различных экспериментах в слабоионизованой плазме атмосферного давления [4], [5], [6].

Для выбора метода обработки измерений были сделаны оценки характерных длин призондовой области для сухого воздуха. Затем было рассмотрено влияние влажности. Как будет видно далее, влажность в исследуемом разряде выше, чем в окружающем воздухе. При указанных выше значениях концентрации и «температуры» электронов дебаевская длина /о =3 10"4 см. Температура газа вблизи зонда близка к температуре его поверхности Г8=(500 - 600) К. При этой температуре длина свободного пробега иона - /,~10"!см, электрона - 1е~ 10"* см. Длина релаксации энергии электронов !с = 8У'1<~ 10"3 см « Ь (здесь 5 — параметр, характеризующий передачу энергии от электронов к тяжёлым частицам; в одноатомных газах <5 = 2т!М~ 10"4- 10"5, а в молекулярных газах 5~ 10"2- 10"3, т — масса электрона, М— масса тяжёлой частицы; Ъ - характерный размер зонда).

В рассматриваемых условиях основной ион NO', основной механизм рекомбинации — диссоциативный. Длина рекомбинации ионов NO' L,= [DJ(ari)\il2~ 410"3см (здесь Д,=Д( 1+ TJ Т,) — коэффициент амбиполярной диффузии, Д - коэффициент диффузии, а -коэффициент рекомбинации). Значения Д и а взяты из [7].

Результаты сделанных оценок показывают, что выполняются следующие неравенства: А « h ~ Ь«/»< L,« Ь. Тогда основной вклад в полную разность потенциалов зонд-плазма на переходном участке ВАХ вносит область плазмы, находящаяся в состоянии ионизационного равновесия, размером ~Ь, в которой происходит растекание зондового тока. Потенциал плавающего зонда с точностью ~ k-TJe совпадает с потенциалом плазмы. Ток на зонд на переходном участке ВАХ описывается выражением [4]: /„ = 4nCa,Up, (1)

где С — электрическая емкость зонда; ет_ - проводимость невозмущенной плазмы. Получив данные по проводимости плазмы, можно определить концентрацию электронов.

Определить температуру электронов в невозмущённой зондом плазме в таких условиях невозможно. Действительно, если выполняется неравенство 1е« Ь, функция распределения электронов Fo (точнее: F0 - главная, изотропная часть функции распределения) определяется локальными значениями параметров плазмы. Если поле в плазме достаточно слабое, т.е. Е « kTtJ(elc), то F0 — максвелловская функция с температурой нейтралов. Если поле в плазме удовлетворяет условию Е > kTs/(elc), а межэлектронные столкновения достаточно редки (vœ/v,.„ < S, где v„ — частота межэлектронных столкновений, a v„ - частота упругих столкновений электронов с нейтралами), то Fo, вообще говоря, не является максвелловской функцией. В противоположном случае, когда v,Jvm » 5, Fa — максвелловская функция с температурой Т„ определяемой локальным балансом джоулева нагрева и энергообмена с нейтралами [8]. В рассматриваемых условиях vejvm <~ 10"3<~ S, поле в плазме сильное Е » kTJ(elc). Потому какова функция распределения электронов судить трудно.

Учет высокой влажности воздуха изменит соотношения между интересующими нас величинами. Длина свободного пробега электронов уменьшится, что приведёт, с одной стороны, к ослаблению неравенства для электрического поля. При высокой концентрации водяных паров получим: E>kTJ(elе). С другой стороны, отношение vjvm тоже уменьшиться, и, вместо неравенства vee/v„ < <5, получим: «S. В таких условиях, строго говоря, функция распределения электронов в столбе разряда не является максвеловской. Однако, можно думать, что она не сильно отличается от максвелловской, и в дальнейшем пользоваться понятием «температура» электронов. При этом температура электронов превосходит температуру нейтралов т.к. поле в плазме сильное: Е » kTJ(el¡).

Ионный ток на плоский зонд в таких условиях описывается выражением [9]:

где - концентрация невозмущенной плазмы; /л, fje — подвижность ионов и электронов, So — поверхность слоя пространственного заряда.

Теории [4], [9] развиты в предположении, что внешнее поле мало по сравнению с амбиполярпым. Противоположный случай был рассмотрен в [10] и показано, что ВАХ зонда не имеет линейного участка. Зависимость тока от потенциала зонда определяется его

формой и, например, ток на сферический зонд на переходном участке ВАХ квадратично растет при увеличении потенциала. Оценка амбиполярного поля в условиях настоящего эксперимента дает: Е„~ (3 - 5)102 В/см <Е. Для применимости (1) необходимо также, чтобы поле в невозмущенной плазме было слабым по сравнению с полем, создаваемым зондом в области растекания тока. Оценки показывают, что при иР> 20 В поле зонда превосходит поле в невозмущенной плазме. Вид ВАХ позволяет предположить, что без большой ошибки для их обработки можно воспользоваться выражениями (1) и (2). Пригодность соответствующих теорий будет видна при сопоставлении с результатами СВЧ диагностики.

Отметим также, что выражение (2) дает значение тока на зонд при условии, что в призондовой области плотность и температура нейтральных частиц не зависят от координат. В настоящих экспериментах температура зонда ниже температуры газа и в призондовой области существуют градиенты температуры и плотности. Это можно учесть в случае плоского зонда, как показано в [11], путем введения поправки к зондовому току порядка отношения температуры зонда к температуре газа.

Концентрация плазмы определялась из ионной ветви ВАХ в соответствии с (2) и корректировалась с учетом разницы температур зонда и газа. Температура зонда предполагалась = 500 К. Ионный ток определялся, как ток в области излома зондовой характеристики вблизи плавающего потенциала [12]. Измерения ионного тока проводились с помощью шунта большей величины, чем для электронного. Получены следующие оценки для концентрации: в катодном конце столба и = (1,5 - 2)1012 см"3, в анодном конце - п~ (0,9 - 1,2)1012 см"3. Концентрация в столбе несколько уменьшается в сторону анода.

Проводимость плазмы определялась из переходного участка ВАХ с помощью (1). При этом емкость зонда определялась как емкость одностороннего плоского диска равной площади: С - 10"2см. Проводимость в катодном конце столба может быть оценена как <7= (2 - 3)Т0"4 (Ом-см)"1, а в анодном а~ 110"4 (Ом-см)"'. Уравнение (1) также было выведено в предположении, что в основной части области растекания зондового тока температура газа постоянна и равна температуре газа в разряде. Поэтому приведенные здесь значения проводимости несколько ниже, чем проводимость невозмущенной плазмы.

Оценивая концентрацию плазмы из результатов измерений проводимости и сопоставляя ее со значениями, полученными из ионного тока, оказывается возможным оценить концентрацию паров воды в столбе. Действительно, различие подвижностей ионов в сухом воздухе и при наличии паров воды не столь велико, как различие подвижностей электронов. Кроме того, зависимость концентрации плазмы, определенной с помощью выражения (2), от коэффициента диффузии ионов слабая (корень третьей степени). В катодном конце столба удовлетворительное совпадение результатов оценок концентрации плазмы из ионного тока и из проводимости получается, если предположить, что в разряде содержится ~ (30 - 40)% паров воды. Отметим, что при таком содержании паров воды подвижность электронов определяется в основном ими. В парах воды с хорошей точностью подвижность электронов постоянна до Е/Ы~ 30 Т(1. Это оправдывает использование (1), выведенного в предположении независимости коэффициентов переноса от электрического поля, а также использование соотношения пс=<у/е /4 для оценки

концентрации электронов. Поскольку были использованы заниженные значения проводимости плазмы, следует считать, что полученное значение концентрации паров воды - это оценка сверху. Отметим, что оценка разогрева воды, при протекании её через область привязки разряда к катоду показала, что давление насыщенного пара воды вблизи катода действительно может достигать нескольких десятых долей атмосферы.

В пятой главе говорится об бесконтактном методе определения параметров плазмы -СВЧ диагностике. Активное зондирование плазмы сверхвысокочастотной волной, вообще говоря, позволяет получить информацию о концентрации плазмы, средней энергии электронов, частоте столкновения электронов с другими частицами. Результат взаимодействия СВЧ излучения с плазменным объектом определяется соотношением между частотой зондирующего излучения и частотами характеризующими плазменный объект (эффективной частотой столкновений электронов и плазменной частотой).

Выполненные оценки характерных значений частот столкновений и плазменной частоты показали, что в условиях эксперимента можно получить оценку средней концентрации электронов по поглощению СВЧ излучения. Величина поглощения мала и для увеличения чувствительности была применена двухпроводная линия. Которая позволила локализовать СВЧ мощность в объёме с характерным размером плазменного образования. Учитывая, что температура тяжелой компоненты в плазме меняется в пределах от 1 ООО К до 2000 К, среднюю концентрацию электронов в столбе разряда можно оценить как: (410и< яе<7-10") см"3. В данной оценке воздух предполагался сухим. Из гл. 4 следует, что влажность воздуха в зоне разряда может достигать 40%. Учет влажности даст большее значение концентрации, близкое к результатам полученным с помощью зонда.

В шестой главе приведена зависимость параметров разряда от тока и длины межэлектродного зазора. Как уже отмечалось, все исследования были выполнены при фиксированных параметрах: токе разряда /=60 мА, межэлектродном зазоре Ь = 6 мм. Для выяснения вопроса, как влияют изменения этих параметров на характеристики разряда, были выполнены эксперименты при изменении I и Ь в пределах, обеспечивающих устойчивое горение разряда в разработашюй конструкции разрядного узла.

..........1-— На рис.8 представлена ВАХ разряда, измеренная при

- --------------------Ь =6 мм. Видно, что ВАХ линейна и слабо растёт с

увеличением тока. Фотографирование разряда показало, что в исследуемом диапазоне токов диаметр электродных привязок и канала разряда растёт примерно как Iй2, то есть при

„ „ . , изменении тока его плотность остаётся примерно постоянной.

Рисунок 8 — ВАХ для £= 6 мм.

Рис.9 иллюстрирует изменение напряжения на разряде и при изменении межэлектродного зазора Ь при фиксированном токе 60 мА. Из рис.9 видно, что „I " напряжение на разряде растёт пропорционально длине

межэлектродного зазора. Коэффициент пропорциональности составляет ~ 750 В/см, что хорошо согласуется с определённой ранее величиной напряжённости поля в столбе. Это позволяет предположить, что при удлинении разряда происходит просто Ток 60 мА. удлинение столба, а приэлектродные области не меняются.

Рисунок 9 - Напряжение на Зондовые измерения при различных Ь показали, что длина

разряде от /..

приэлектродных областей и падение напряжения в них действительно не меняются при изменении Ь в пределах от 4 до 10 мм, лишь длина области с примерно постоянной напряжённостью поля (столба) увеличивается в соответствии с увеличением Ь. При Ь = 4 мм приэлектродные области смыкаются, столб разряда исчезает.

При различных / и £ были сделаны измерения наиболее характерных участков спектра разряда: вблизи одного из кантов полосы молекулы N0 (к ~ 258 им, переход А-Х(у)), который использовался для оценки диаметра разряда, и полос второй положительной системы молекулы N2 (Ду = -2), которые использовались для определения температуры газа в разряде. Результаты показали, что с ростом тока интенсивность излучения растёт, однако форма спектральных распределений практически пе изменяется. При удлинении разряда интенсивность излучения в приэлектродных областях практически не меняется, происходят лишь небольшие изменения в удлиняющемся столбе. Это находится в согласии с выводом о постоянстве плотности тока в исследуемом диапазоне параметров.

На основании этих данных можно предположить, что полученные значения параметров плазмы при фиксированном межэлектродном зазоре 6 мм и токе 60 мА характерны и для разрядов с током (40 - 100) мА и межэлектродным зазором (4 - 10) мм при использовании слабопроводящей электродной жидкости — водопроводной воды.

В седьмой главе описаны результаты экспериментов, выполненных с целью выявить возможные направления практического применения разряда. Одно из таких направлений — обеззараживание воды. Сегодня УФ-обеззараживание воды является доказанной альтернативой хлорированию. Основные преимущества метода УФ обеззараживания — экологическая чистота, отсутствие побочных эффектов. Для обеззараживания воды является актуальным разработка экологически чистых, в первую очередь, свободных от ртути УФ источников.

Минимальная доза УФ-облучения, регламентируемая Методическими Указаниями Минздрава РФ для обеззараживания питьевой воды - 16 мДж/см2. Как было отмечено, исследуемый разряд излучает в основном в УФ области. Оценка мощности излучения разряда в диапазоне длин волн (240 - 315) нм при токе 60 мА дает величину ~ 20 мВт/см3. Учет излучения более коротковолнового диапазона (вплоть до ВУФ) увеличит приведенную выше величину почти вдвое. Подбор оптимальной конструкции разрядного узла и режимов горения может также улучшить этот показатель. Тогда доза облучения воды при не слишком больших скоростях её протока через зону разряда, будет достаточна для достижения бактерицидного эффекта. Серьезный недостаток исследуемого разряда, как источника УФ излучения, это малая энергетическая эффективность. В то же время, разряд имеет такие положительные стороны:

1. безртугный излучатель,

2. горит в открытом воздухе, и потому не требуется разработки и изготовления (строительства заводов для производства) специальных ламп;

3. не требует использования сложной светотехнической арматуры, т.к. горит непосредственно над поверхностью облучаемой жидкости;

4. для питания разряда может быть использован простейший дешёвый источник постоянного тока.

Другое направление - очистка воды от поверхностных загрязнений нефтепродуктами.

Загрязнение воды нефтепродуктами (НП) и, в том числе, поверхностные загрязнения -явление очень распространенное. Источники загрязнений: промышленные стоки, аварии при транспортировке, стоки с АЗС, автотранспорт и т.д. НП опасны для здоровья, и очистка воды от загрязнений НП представляется актуальной задачей.

Эксперименты проводились с жидким катодом (водопроводная вода) и металлическим анодом. Такая конструкция электродного узла, без особых затрат позволила провести эксперимент. Межэлектродный зазор (расстояние между поверхностью водяного катода и металлического анода) варьировался в пределах ъ = (2 -10) мм, ток ~150мА. Под воздействием разряда НП частично выгорали, а частично полимеризовались, образуя рыхлое вещество желто-коричневого цвета. Получеппое вещество легко удалялось с поверхности воды механически. Эксперименты показали, что с помощью разряда возможна очистка поверхности воды с достаточно высокой эффективностью. Например, при загрязнении воды машинным маслом за время -25-30 мин, удалялось до 98 % загрязнений, при этом удельные затраты достигали 0,1 кВтчас на 1 мл (или 100 кВтчас на 1 л) загрязнения. Оптимизация процесса введения НП в зону привязки может увеличить эффективность обработки.

Выполненные эксперименты дают основание предполагать, что исследуемый разряд имеет хороший потенциал для практического применения для очистки и обеззараживания потоков воды. Представляется также перспективной возможность воздействия на различные загрязнения воздушных потоков, но пока такие попытки не делались. В то же время, эта проблема представляет как практический, так и научный интерес.

В заключении сформулированы основные результаты работы. В работе проведены исследования разряда постоянного тока с жидкими неметаллическими электродами из водопроводной воды в открытой атмосфере при токах (40-100)мА и длине межэлектродного зазора (4-10) мм.

В работе были решены следующие задачи:

• Отработана конструкция и изготовлен разрядный узел, обеспечивающий горение разряда между двумя потоками воды.

• Сконструирована и налажена высоковольтная схема питания разряда, обеспечивающая регулировку электрических параметров разряда в широких пределах.

• Собраны две схемы для проведения оптических измерений и изготовлено устройство ввода сигнала с ФЭУ в компьютер.

• Разработана и изготовлена система для проведения зондовых измерений с высоковольтной гальванической развязкой.

• Для проведения СВЧ измерений был изготовлен волноводный тракт с подвижной двухпроводной линией.

• Выполнены:

° измерения электрических характеристик разряда (ток и напряжение), ° спектроскопические измерения, которые показали, что генерируемая разрядом плазма существенно неравновесна, и позволили определить ряд параметров, характеризующих её состояние, а также позволившие определить абсолютное значение биологически активной доли УФ излучения,

° измерения с помощью электрического зонда (определено распределение потенциала в межэлектродном зазоре и измерена концентрации заряженных частиц в столбе разряда),

° СВЧ зондирование генерируемой разрядом плазмы (получена оценка электронной концентрации бесконтактным методом).

Исследования показали:

• Разряд может устойчиво гореть при питании постоянным током в объемной(диффузной) форме с низкой средней плотностью тока (/ < 2 А/см2) при напряжении между водяными электродами ~ 1500 В.

• Газ в межэлектродном зазре разогревается до ~ 2000 К.

• Концентрация паров воды в разряде существенно превышает концентрацию паров воды в открытом воздухе.

• В разряде отчетливо можно выделить три области: прикатодную, прианодную и столб.

• Диаметр столба разряда не постоянен, разряд сужен в 2 мм от катода и несколько расширяется в сторону анода.

• Электрическое поле в столбе (700 — 800) В/см, приведенное поле (15 — 20) Td.

• Основные носители отрицательного заряда — электроны.

• Концентрация электронов в столбе ~ 1012 см"3.

• Температура электропов в столбе — 4500 К (0,4 эВ).

• Приэлектродные области сильно неоднородны. Среднее значение приведенного поля ~(80- 100) Td.

• Разряд излучает в основном в ультрафиолетовой области спектра. Основной вклад в излучение дают молекулы и радикалы Ni, О2, ОН, NO.

• При изменении длины разряда изменяется длина столба при том, что напряженность поля в нем не меняется. Напряжённость поля в приэлектродных областей и падение потенциала в них не изменяется.

• При изменении тока плотность тока в разряде практически не меняется.

• Исследуемый разряд генерирует существенно неравновесную плазму при атмосферном давлении в открытом воздухе, содержащую химически активные радикалы NO, Oil и атомарный кислород.

• В работе показано, что разряд имеет перспективы для решения некоторых практических, в частности, экологических задач.

Литература

1. Staack D., Farouk В., Gutsol A.F., Fridman A.A. Spectroscopic studies and rotational and vibrational temperature measurements of atmospheric pressure normal glow plasma discharges in air // Plasma Sources Science and Technology. 2006. № 4. Vol. 15. P. 818.

2. Bruggeman P., Schräm D.C., Kong M.G., Leys C. Is the Rotational Temperature of OH(A-X) for Discharges in and in Contact with Liquids a Good Diagnostic for Determining the Gas Temperature? // Plasma Processes and Polymers. 2009. №11. Vol. 6. P. 751-762.

3. Физика и техника низкотемпературной плазмы / под ред. C.B. Дресвина. М.: Атомиздат, 1972. 352 с.

4. Бенилов М.С., Бочкарев В.И., Бузпиков А.Е. Электрические характеристики зонда в дозвуковом потоке газа // Изв. АН СССР. МЖГ. 1983. № 1. С. 150-160.

5. Андерс А., Ершов А. Зондовая диагностика поздних стадий истечения плотной плазменной струи в атмосферу // ТВТ. 1987. № 4. Т.25. С. 743-747.

6. Батырбеков Г.А., Беляева Э.А., Бенилов М.С. // Физика плазмы. 1991. № 1. Т.17. С. 114— 119.

7. Григорьев И.С., Мейлихов Е.З. Физические величины. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

8. Бенилов М.С. Теория электрических зондов в потоках слабоионизованной плазмы высокого давления // ТВТ. 1988. № 5. Т.26. С. 993-1004.

9. Ульянов К.Н. Теория электрических зондов в плотной плазме // ЖТФ. 1970. № 4. Т.40. С. 790-798.

10. Акишев Ю.С., Напартович А.П. О зондовых измерениях в тлеющем разряде при повышенном давлении // ДАН СССР. 1978. Т.242. С. 812-815.

11. Ульянов К.Н. Зондовая диагностика плазмы высокого давления при различных температурах зонда и плазмы // ЖТФ. 1978. № 3. Т. 16. С. 492-496.

12. Васильева И.А., Косов В.Ф. Особенности использования ионных частей зондовых характеристик в потоках продуктов сгорания с легкоионизирующейся щелочной присадкой//ТВТ. 1981. № 5. Т.19. С. 1022-1030.

Публикации автора по теме диссертации

-В российских и зарубежных рецензируемых журналах:

1. Баринов Ю.А., Каплан В.Б., Рождественский В.В., Школьник С.М. Определение концентрации электронов в разряде с жидкими неметаллическими электродами в воздухе при атмосферном давлении по поглощению зондирующего СВЧ излучения // Письма в ЖТФ. 1998. № 23. Т. 24. С. 52-57.

2. Andre P., Barinov Y., Faure G., Kaplan V., et-al. Experimental study of discharge with liquid non-metallic (tap-water) electrodes in air at atmospheric pressure // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. № 24. Vol. 34. P. 3456-3465.

3. Баринов Ю.А., Школьник С.М. Зондовые измерения в разряде с жидкими неметаллическими электродами в воздухе при атмосферном давлении // ЖТФ. 2002. № 3. Т. 72. С. 31-37.

4. Andre P., Aubreton J., Barinov Y., Elchinger M.F., et-al. Theoretical study of column of discharge with liquid non-metallic (tap water) electrodes in air at atmospheric pressure // J. Phys. D: Appl. Phys. 2002. № 15. Vol. 35. P. 1846-1854.

5. Баринов IO.A. Простое устройство ввода аналогового сигнала в компьютер // ПТЭ. 2003. № 5. С. 64-67.

6. Баринов Ю.А., Каплан В.Б., Школьник С.М. О возможности очистки воды от поверхностных загрязнений нефтепродуктами с помощью электрического разряда в

открытой атмосфере // Письма в ЖТФ. 2005. № 16. Т. 31. С. 26-32.

7. Andre P., Barinov Y.A., Faure G., Kaplan V., et-al. Acquisition and modeling of a spectrum in a non thermal equilibrium plasma formed in air with water // Journal of High Temperature Material Processes. 2006. № 2. Vol. 10. P. 239-252.

8. Andre P., Barinov Y.A., Faure G., Shkol'nik S.M. Modelling radiation spectrum of a discharge with two liquid non-metallic (tap-water) electrodes in air at atmospheric pressure П J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. № 37. Vol. 44. P. 375203(14 p.).

9. Andre P., Barinov Y.A., Faure G., Shkol'nik S.M. Experimental investigations of emission spectrum of a discharge with two liquid non-metallic (tap-water) electrodes in air at atmospheric pressure // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. № 37. Vol. 44 P. 375202(8 p.).

-В трудах международных конференций:

1. Баринов Ю.А., Блинов И.О., Дюжев Г.А., Школьник С.М. Экспериментальное исследование разряда с жидкими электродами в воздухе при атмосферном давлении. Минск, 1994. С. 123-126.

2. Andre P., Afanas'ev V., Barinov Y.A., Faure G., и др. Theoretical and experimental investigation of a discharge with liquid non-metallic electrodes in air at atmospheric pressure // XXIIIICPIG. Toulouse, 1997. Vol. 3. P. 104-105.

3. Баринов Ю.А., Каплан В.Б., Рождественский B.B., Школьник С.М. СВЧ диагностика плазмы разряда с жидкими неметаллическими электродами в воздухе при атмосферном давлении//ФНТП-98. Петрозаводск, 1998. Т. 1. С. 106-109.

4. Andre P., Barinov Yu., Faure G., Kaplan V., Lefort A., Rozdestvensky V., Shkol'nik S. Discharge with liquid non-metallic electrodes in air at atmospheric pressure // HTPP5. St-Petersburg, 1998.

5. Vacher D., Andre P., Barinov Y. A., Faure G., и др. Monatomic Excitation Temperature in Theoretical Study of Discharge with Liquid Non-Metallic (Tap Water) Electrodes in Air at Atmospheric Pressure // ESCAMPIG. Grenoble, 2002.

6. Баринов Ю.А., Каплан В.Б., Школьник С.М. Исследование ультрафиолетовой области спектра излучения разряда с жидкими неметаллическими электродами в воздухе при атмосферном давлении // ФНТП-2004. Петрозаводск, 2004. Т. 1. С. 198-202.

7. Баринов Ю.А., Каплан В.Б., Школьник С.М. Разряд с жидким неметаллическим катодом и его воздействие на загрязнения катодной жидкости нефтепродуктами // ISTAPC-2005. Иваново, 2005. Т. 2. С. 477-480.

8. Andre P., Faure G., Barinov Yu., Kaplan V., Shkol'nik S. Spectrum acqusition and modeling in a non thermal equilibrium plasma formes in air with water // HTPP9. St-Petersburg, 2006. P. 33.

Подписано в печать 21.02.2014 Формат 60x90/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,25 Тираж 100 экз. Заказ 75

Отпечатано в типографии «Адмирал» 199178, Санкт-Петербург, В.О., 7-я линия, д. 84 А

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Баринов, Юрий Алексеевич, Санкт-Петербург

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

НАУКИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. А.Ф. ИОФФЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201457334

БАРИНОВ ЮРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРЯД С ЖИДКИМИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ В ВОЗДУХЕ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ

Специальность 01.04.08 — Физика плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -к.ф-м.н., Школьник С.М.

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................4

1.0Б30Р ЛИТЕРАТУРЫ ПО ГЕНЕРАТОРАМ НЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМЫ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ................................................................................9

1.1 Обзор литературы по наиболее распространенным генераторам неравновесной плазмы атмосферного давления..........................................................9

1.1.1 Тлеющий разряд.................................................................................................9

1.1.2 Коронный разряд..............................................................................................10

1.1.3 Барьерный разряд.............................................................................................11

1.2 Обзор литературы по разрядам с жидкими неметаллическими электродами. 12 2.0ПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ...................................................................................16

2.1 Система подачи воды............................................................................................16

2.2 Разрядный узел......................................................................................................19

2.3 Источник питания.................................................................................................21

2.4 Измерения тока и напряжения.............................................................................21

2.5 Подбор параметров и организация режима горения разряда............................23

2.6 Диагностика...........................................................................................................26

2.6.1 Организация спектроскопических измерений..............................................26

2.6.2 Организация измерений с помощью электрического зонда........................30

2.6.3 Организация СВЧ измерений.........................................................................34

З.СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ.......................................................40

3.1 Общая характеристика спектров испускания разряда.......................................41

3.1.1 Радиальные распределения.............................................................................47

3.1.2 Определение абсолютного значения коэффициента испускания плазмы. .51

3.2 Определение параметров плазмы........................................................................54

3.2.1 Определение температуры газа......................................................................55

3.2.2 Определение температуры электронов..........................................................57

4.30НД0ВАЯ ДИАГНОСТИКА...............................................................................62

4.1 Результаты эксперимента......................................................................................63

4.2 Условия собирания тока зондом и оценки характерных длин призондовой области...........................................................................................................................65

4.3 Метод обработки измерений................................................................................70

4.4 Проверка оценки средней энергии электронов (температуры).........................73

5.СВЧ ДИАГНОСТИКА.............................................................................................76

5.1 Взаимодействие плазмы и высокочастотного поля............................................76

5.1.1 Метод «отсечки»..............................................................................................78

5.1.2 Исследования с помощью проходящей волны..............................................79

5.2 Оценка применимости методов СВЧ диагностики для исследуемого разряда ........................................................................................................................................81

5.3 Описание эксперимента и полученные результаты...........................................82

б.ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ РАЗРЯДА ОТ ТОКА И ДЛИНЫ МЕЖЭЛЕКТРОДНОГО ЗАЗОРА.............................................................................86

6.1 Электрические характеристики разряда при изменении тока и длины межэлектродного зазора...............................................................................................86

6.2 Спектральные характеристика разряда при изменении тока и длины

межэлектродного зазора...............................................................................................88

7.ВОЗМОЖНОЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРЯДА.......................93

7.1 Обеззараживание воды.........................................................................................93

7.2 Воздействие разряда на поверхностные загрязнения электродной жидкости

(воды) нефтепродуктами..............................................................................................96

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................99

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................104

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Низкотемпературная плазма играет важную роль как в научных исследованиях, так и в промышленности, где интерес к различным генераторам низкотемпературной плазмы вызван очевидным экономическим эффектом от их использования.

Особый интерес представляет неравновесная низкотемпературная плазма и, соответственно, генераторы такой плазмы. Благодаря отрыву электронной температуры от газовой, например, могут проходить химические реакции, которые при термодинамическом равновесии были бы невозможны [1]. Основным генератором неравновесной низкотемпературной плазмы является электрический разряд. Среди применений можно назвать такие как: накачка лазеров, травление, полимеризация, нанесение защитных покрытий, очистка газов от загрязнений и т.д. [2], [3], [4].

В последнее время получили развитие генераторы неравновесной низкотемпературной плазмы работающие в атмосфере воздуха. Для их реализации не требуется сложной дорогостоящей вакуумной техники и часто дорогих инертных газов, кроме того, можно обрабатывать непосредственно воздушную среду. К сожалению, большинство используемых сейчас генераторов создают плазму, параметры которой неоднородны в пространстве и/или во времени. Не последнюю роль тут играют сложности в организации разряда при давлениях, близких к атмосферному. Например, контракция разряда, и если не принимать специальных мер, переход разряда в дуговую форму [5] и как следствие эрозия электродов. Применяются различные способы для борьбы с этими явлениями:

многоэлектродные системы с распределенным балластным сопротивлением, продувка газа через разрядный промежуток, импульсные режимы работы и т.д. Все это ведет к усложнению конструкций разрядных узлов и источников питания. Таким образом, создание генератора неравновесной низкотемпературной плазмы, работающего в атмосфере воздуха, представляет собой не простую задачу. Поэтому поиск в этой области продолжается.

Интересным объектом, как для научных исследований, так и для применения в промышленности, могут оказаться разряды с одним или двумя жидкими неметаллическими электродами. Например, разряды с катодом из электролитов различного состава и металлическим анодом. Несмотря на то, что такие разряды известны более ста лет, повышенный интерес к ним возник только в последние годы. Привлекает, в первую очередь, возможность реализации разряда при атмосферном давлении, питание постоянным током, простота разрядного узла. Разряды нашли применение для спектрального анализа примесей в воде [6], для обработки металлических поверхностей [7]. Тем не менее, работ посвященных исследованию физических параметров этого типа разрядов сравнительно мало.

Для исследований был выбран малоизученный разряд с двумя жидкими электродами. В качестве электродов может использоваться практически любая слабопроводящая жидкость, как например: растворы солей, различные концентрации кислот, щелочей и т.д. или просто водопроводная вода. В работе в качестве жидких электродов использовалась обычная водопроводная вода. Электропитание осуществлялось от источника постоянного тока с умеренным напряжением менее 5 кВ. Такие свойства разряда как относительно низкая плотность тока и сравнительно высокое межэлектродное напряжение дают основание предполагать, что в разряде создается неравновесная плазма. Можно предполагать, что исследуемый разряд может найти применение в химических реакторах, в системах очистки газов. Кроме того, спектр излучения разряда

сосредоточен в ультрафиолетовой области, пригодной для бактерицидной обработки.

Цель диссертационной работы

В работе предполагается получить ответы на такие вопросы как:

• поиск диапазона внешних параметров, при котором реализуется устойчивое горение разряда,

• спектр излучения разряда,

• параметры генерируемой разрядом плазмы,

• направления возможного практического использования разряда. Исследования приэлектродных процессов и, в частности, переноса заряда из

жидкости в плазму остается за рамками настоящей работы. Такие исследования должны быть предметом отдельной работы.

Научная новизна

Практическая значимость результатов исследования

Научные положения, выносимые на защиту

1. Разряд с двумя жидкими электродами устойчиво горит в воздухе при атмосферном давлении в диффузной (объемной) форме при питании постоянным током (40 - 100) мА в межэлектродном зазоре (4 - 10) мм при плотности тока ~1 А/см2, слабо зависящей от тока.

2. Разряд четко разделяется на две приэлектродные области и практически однородный столб.

3. Приведенное электрическое поле в столбе составляет =(15— 20) Т<1, а в приэлектродных областях достигает -100 Тс1.

4. Разряд излучает, в основном, в ультрафиолетовой области спектра (молекулы и радикалы N2, О2, ОН, N0). В видимой и инфракрасной областях наблюдаются линии излучения атомарного водорода и кислорода. Осевые распределения интенсивности излучения различных компонент плазмы имеют характерные приэлектродные максимумы.

5. Разряд генерирует существенно неравновесную плазму. В столбе разряда температура газа = 2000 К, температура (средняя энергия) электронов = 4500 К, а их средняя концентрация = 1012 см"3.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9-и статьях российских и зарубежных рецензируемых журналах и сделано 8 докладов на Российских и международных конференциях:

1. Физика и Техника Плазмы, Минск, 1994.

2. XXIIIICPIG, Toulouse, 1997.

3. НТРР5, НТРР9, Saint-Petersburg, (1997, 2006).

4. ФНТП - 98, ФНТП - 2004, Петрозаводск, (1998, 2004).

5. ESCAMPIG, Grenoble, 2002.

6. IV - ISTAPC, Иваново, 2005.

Личный вклад автора

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ГЕНЕРАТОРАМ НЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМЫ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ

1.1 Обзор литературы по наиболее распространенным генераторам неравновесной плазмы атмосферного давления

Генераторов низкотемпературной неравновесной плазмы на основе электрического разряда существует достаточно много. Рассмотрим те, которые могут быть реализованы при атмосферном давлении [2], [3]. Наибольшее распространение получили генераторы плазмы на основе тлеющего, коронного, барьерного разрядов.

1.1.1 Тлеющий разряд

Это наиболее известный и хорошо изученный разряд и представляет собой один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Наиболее известен он при низком давлении, но может быть организован при давлениях газа вплоть до атмосферного [8].

При атмосферном давлении разряд может быть реализован лишь в очень коротком межэлектродном зазоре от долей миллиметра до порядка миллиметра при токе разряда несколько десятков миллиампер [9]. Разряды с коротким межэлектродным зазором получили название «микроплазменные источники» (гшсгор1азта). Этот вид разряда вызывает сейчас повышенный интерес. Обычно в таких устройствах применяют полые электроды [10]. Для питания используются источники как постоянного тока [11], так и переменного вплоть до высоких частот [12]. Генераторы плазмы на основе этого разряда предлагается применять для различных целей [13], в том числе для антибактериальной обработки [14] и как источник света (в среде инертных газов) [13].

Из минусов микроплазменных источников можно отметить сравнительно небольшой межэлектродный зазор, и значит, небольшой объем генерируемой плазмы. Как выход, используют большое количество разрядов, каждый со своим балластным сопротивлением, что усложняет систему электропитания.

Характерные параметры:

• температура газа (1000-2000) К,

• концентрация электронов (1012 - 1014) см"3,

• температура электронов ~ 1 эВ,

• параметр Е/Ы (30-50) Тс1.

1.1.2 Коронный разряд

Коронный разряд может иметь место при различных давлениях газа, но наиболее отчётливо он проявляется при давлениях не ниже атмосферного. Для его возникновения необходимо создать сильно неоднородное электрическое поле. Разряд начинается, когда напряжение между электродами достигает так называемого «начального потенциала» короны, а это тысячи и десятки тысяч вольт. Ток в разряде составляет доли миллиампер. Различают положительную и отрицательную корону в зависимости от приложенной к заостренному электроду полярности питающего напряжения. Простота реализации является одним из несомненных достоинств коронного разряда. Применяется разряд: в счётчиках ионизирующего излучения, в электрических фильтрах, в устройствах электрической окраски.

Один из основных недостатков генераторов на основе коронного разряда, сильно неоднородное распределение параметров плазмы в межэлектродном зазоре [15], [16], [17], [18] и необходимость использовать высоковольтные источники питания. Еще как недостаток, можно отметить, что стримерный режим коронного разряд создает помехи, что плохо сказывается на электромагнитной совместимости. Объем генерируемой плазмы в разряде небольшой и на практике,

для увеличения объема, используют многоэлектродную систему [19].

Характерные параметры:

• температура газа близка к комнатной,

• концентрация электронов от 103 см"3 до 1013 см"3,

• температура электронов (3 - 9) эВ,

• Я*2У~(10-100)Т&

1.1.3 Барьерный разряд

Разряд создается в газовой среде, при этом один или оба электрода покрыты изолятором - диэлектрическим барьером [20] и [21]. Отсюда следует, что такой разряд возможен только при питании переменным напряжением. Диапазон используемых частот от 50 Гц до сотен килогерц при действующем значении напряжения несколько киловольт, в зависимости от длины межэлектродного зазора. Барьерный разряд с успехом используют для генерации плазмы в воздухе, его считают перспективным. Наибольшее распространение барьерный разряд получил как генератор озона — озонатор. Также барьерный разряд используется для обработки поверхности диэлектриков, стерилизации [22] и т.д. [23]. Характерные значения токов: единицы — десятки миллиампер. Конструкции разрядного узла весьма различны, например, остриё и плоскость покрытая диэлектриком - барьерная корона [24], двухкамерная схема [25] и электрод покрытый диэлектрической жидкостью [23] (в гелии).

Недостатки барьерного разряда: сложность источников питания (высокое напряжение и сравнительно высокие частоты), зависимость параметров плазмы от времени (т.к. барьерный разряд импульсный, по своей природе). Для ослабления временной зависимости необходимо увеличивать частоту питающего напряжения, а это усложняет и удорожает источники питания. Кроме того, объем генерируемой плазмы сравнительно невелик и для увеличения используют параллельное соединение разрядов [26].

Характерные параметры:

• газовая температура близка к температуре электродов,

• температура электронов порядка нескольких электронвольт,

• концентрация электронов может достигать ~ 1015 см"3,

• яде-100 та.

Выводы

Генераторы низкотемпературной неравновесной плазмы на основе тлеющего, коронного, барьерного разрядов исследуются достаточно давно и широко используются в промышленности. В то же время обращают на себя вни�