Экспериментальное исследование зажигания и горения разряда постоянного тока при различных диаметрах анода

В данной работе исследовано влияние диаметра анода на зажигание и вольт-амперные характеристики тлеющего разряда постоянного тока. Показано, что уменьшение диаметра анода приводит к смещению кривых зажигания в область более высоких давлений газа и пробойных напряжений. Такое поведение кривых зажиг...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Лисовский, В.А., Скубенко, Е.В., Кравченко, Е.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2010
Schriftenreihe:	Физическая инженерия поверхности
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98869
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Экспериментальное исследование зажигания и горения разряда постоянного тока при различных диаметрах анода / В.А. Лисовский, Е.В. Скубенко, Е.А. Кравченко // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 2. — С. 116–123. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-98869
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-988692016-04-19T03:02:33Z Экспериментальное исследование зажигания и горения разряда постоянного тока при различных диаметрах анода Лисовский, В.А. Скубенко, Е.В. Кравченко, Е.А. В данной работе исследовано влияние диаметра анода на зажигание и вольт-амперные характеристики тлеющего разряда постоянного тока. Показано, что уменьшение диаметра анода приводит к смещению кривых зажигания в область более высоких давлений газа и пробойных напряжений. Такое поведение кривых зажигания связано, по-видимому, с увеличением площади диэлектрических стенок и потерь заряженных частиц вследствие диффузии при небольших диаметрах анода. Показано, что при уменьшении диаметра анода повышается напряжение погасания разряда. Получено, что разрядный ток растет медленнее с повышением напряжения на электродах для анодов малого диаметра. В нормальном режиме горения для небольших анодов уменьшение разрядного тока сопровождается значительным повышением напряжения на электродах. Вблизи малого анода наблюдается яркое анодное свечение во всем исследованном диапазоне давлений газа, что указывает на наличие большого положительного падения напряжения на анодном слое. У цій роботі було досліджено вплив діаметра аноду на запалювання та вольт-амперні характеристики тліючого розряду постійного струму. Показано, що зменшення діаметра аноду призводить до зсуву кривих запалюваня в область більш високого тиску газу і пробійних напруг. Така поведінка кривих запалювання пов’язана, мабуть, із збільшенням площі діелектричних стінок та втрат заряджених частинок внаслідок дифузії при невеликих діаметрах аноду. Показано, що при зменшенні діаметра аноду збільшується напруга згасання розряду. Отримано, що розрядний струм зростає повільніше із збільшенням напруги на електродах для анодів малого діаметру. У нормальному режимі горіння для невеликих анодів зменшення розрядного струму супроводжується значним збільшенням напруги на електродах. Це пов’язано, мабуть, із збільшеними втратами заряджених частинок внаслідок амбіполярної дифузії із-за звуження розрядного шнуру при русі електронів до аноду маленького діаметру. Показано, що поблизу малого аноду спостерігається яскраве анодне світіння у всьому дослідженому діапазоні тиску газу, що вказує на наявність великої позитивної напруги на анодному шарі. This paper studies how an anode diameter value affects ignition and CVC of the dc glow discharge. The decrease in anode diameter is shown to cause a shift of ignition curves to higher gas pressure and breakdown voltage values. Probably this behavior of breakdown curves is associated with the increase of the dielectric wall area and charged particle loss due to diffusion with moderate anode diameter values. Decreasing the anode diameter is shown to increase the discharge extinction voltage. The discharge current is found to grow slower with the voltage across the electrodes increasing for small anode diameter values. In the normal mode of burning for moderate anodes the decrease in the discharge current is accompanied with a considerable increase of the voltage across the electrodes. Probably it is associated with an enhanced escape of charged particles due to ambipolar diffusion caused by discharge column narrowing when electrons are moving to the anode of small diameter. A bright anode glow is found to be present around the small anode in the total range of gas pressure under study, thus indicating the availability of a large positive voltage drop across the anode sheath. Keywords: direct current discharge, gas breakdown, anode, anode layer. 2010 Article Экспериментальное исследование зажигания и горения разряда постоянного тока при различных диаметрах анода / В.А. Лисовский, Е.В. Скубенко, Е.А. Кравченко // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 2. — С. 116–123. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98869 537.521.7 ru Физическая инженерия поверхности Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	В данной работе исследовано влияние диаметра анода на зажигание и вольт-амперные характеристики тлеющего разряда постоянного тока. Показано, что уменьшение диаметра анода приводит к смещению кривых зажигания в область более высоких давлений газа и пробойных напряжений. Такое поведение кривых зажигания связано, по-видимому, с увеличением площади диэлектрических стенок и потерь заряженных частиц вследствие диффузии при небольших диаметрах анода. Показано, что при уменьшении диаметра анода повышается напряжение погасания разряда. Получено, что разрядный ток растет медленнее с повышением напряжения на электродах для анодов малого диаметра. В нормальном режиме горения для небольших анодов уменьшение разрядного тока сопровождается значительным повышением напряжения на электродах. Вблизи малого анода наблюдается яркое анодное свечение во всем исследованном диапазоне давлений газа, что указывает на наличие большого положительного падения напряжения на анодном слое.
format	Article
author	Лисовский, В.А. Скубенко, Е.В. Кравченко, Е.А.
spellingShingle	Лисовский, В.А. Скубенко, Е.В. Кравченко, Е.А. Экспериментальное исследование зажигания и горения разряда постоянного тока при различных диаметрах анода Физическая инженерия поверхности
author_facet	Лисовский, В.А. Скубенко, Е.В. Кравченко, Е.А.
author_sort	Лисовский, В.А.
title	Экспериментальное исследование зажигания и горения разряда постоянного тока при различных диаметрах анода
title_short	Экспериментальное исследование зажигания и горения разряда постоянного тока при различных диаметрах анода
title_full	Экспериментальное исследование зажигания и горения разряда постоянного тока при различных диаметрах анода
title_fullStr	Экспериментальное исследование зажигания и горения разряда постоянного тока при различных диаметрах анода
title_full_unstemmed	Экспериментальное исследование зажигания и горения разряда постоянного тока при различных диаметрах анода
title_sort	экспериментальное исследование зажигания и горения разряда постоянного тока при различных диаметрах анода
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate	2010
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98869
citation_txt	Экспериментальное исследование зажигания и горения разряда постоянного тока при различных диаметрах анода / В.А. Лисовский, Е.В. Скубенко, Е.А. Кравченко // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 2. — С. 116–123. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
series	Физическая инженерия поверхности
work_keys_str_mv	AT lisovskijva éksperimentalʹnoeissledovaniezažiganiâigoreniârazrâdapostoânnogotokaprirazličnyhdiametrahanoda AT skubenkoev éksperimentalʹnoeissledovaniezažiganiâigoreniârazrâdapostoânnogotokaprirazličnyhdiametrahanoda AT kravčenkoea éksperimentalʹnoeissledovaniezažiganiâigoreniârazrâdapostoânnogotokaprirazličnyhdiametrahanoda
first_indexed	2025-07-07T07:11:06Z
last_indexed	2025-07-07T07:11:06Z
_version_	1836971214767128576
fulltext	116 ВВЕДЕНИЕ Тлеющий разряд постоянного тока широко используется в таких приборах тлеющего раз- ряда, как газоразрядные стабилизаторы на- пряжения (стабилитроны), а также выпрями- тели с тлеющим разрядом и др [1]. Для того чтобы корректно применять тлеющий разряд, необходимо знать условия его существования УДК 537.521.7 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЖИГАНИЯ И ГОРЕНИЯ РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ДИАМЕТРАХ АНОДА В.А. Лисовский, Е.В. Скубенко, Е.А. Кравченко Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина Украина Поступила в редакцию 15.05.2010 В данной работе исследовано влияние диаметра анода на зажигание и вольт-амперные ха- рактеристики тлеющего разряда постоянного тока. Показано, что уменьшение диаметра анода приводит к смещению кривых зажигания в область более высоких давлений газа и пробойных напряжений. Такое поведение кривых зажигания связано, по-видимому, с увеличением площади диэлектрических стенок и потерь заряженных частиц вследствие диффузии при небольших диаметрах анода. Показано, что при уменьшении диаметра анода повышается напряжение погасания разряда. Получено, что разрядный ток растет медленнее с повышением напряжения на электродах для анодов малого диаметра. В нормальном режиме горения для небольших анодов уменьшение разрядного тока сопровождается значительным повышением напряжения на электродах. Вблизи малого анода наблюдается яркое анодное свечение во всем иссле- дованном диапазоне давлений газа, что указывает на наличие большого положительного па- дения напряжения на анодном слое. Ключевые слова: разряд постоянного тока, пробой газа, вольт-амперные характеристики, анод, анодный слой. У цій роботі було досліджено вплив діаметра аноду на запалювання та вольт-амперні харак- теристики тліючого розряду постійного струму. Показано, що зменшення діаметра аноду при- зводить до зсуву кривих запалюваня в область більш високого тиску газу і пробійних напруг. Така поведінка кривих запалювання пов’язана, мабуть, із збільшенням площі діелектричних стінок та втрат заряджених частинок внаслідок дифузії при невеликих діаметрах аноду. Показано, що при зменшенні діаметра аноду збільшується напруга згасання розряду. Отримано, що розрядний струм зростає повільніше із збільшенням напруги на електродах для анодів малого діаметру. У нормальному режимі горіння для невеликих анодів зменшення розрядного струму супроводжується значним збільшенням напруги на електродах. Це пов’язано, мабуть, із збільшеними втратами заряджених частинок внаслідок амбіполярної дифузії із-за звуження розрядного шнуру при русі електронів до аноду маленького діаметру. Показано, що поблизу малого аноду спостерігається яскраве анодне світіння у всьому дослідженому діапазоні тиску газу, що вказує на наявність великої позитивної напруги на анодному шарі. Ключові слова: розряд постійного струму, пробій газу, вольт-амперні характеристики, анод, анодний шар. This paper studies how an anode diameter value affects ignition and CVC of the dc glow discharge. The decrease in anode diameter is shown to cause a shift of ignition curves to higher gas pressure and breakdown voltage values. Probably this behavior of breakdown curves is associated with the increase of the dielectric wall area and charged particle loss due to diffusion with moderate anode diameter values. Decreasing the anode diameter is shown to increase the discharge extinction voltage. The discharge current is found to grow slower with the voltage across the electrodes increasing for small anode diameter values. In the normal mode of burning for moderate anodes the decrease in the discharge current is accompanied with a considerable increase of the voltage across the electrodes. Probably it is associated with an enhanced escape of charged particles due to ambipolar diffusion caused by discharge column narrowing when electrons are moving to the anode of small diameter. A bright anode glow is found to be present around the small anode in the total range of gas pressure under study, thus indicating the availability of a large positive voltage drop across the anode sheath. Keywords: direct current discharge, gas breakdown, anode, anode layer.  В.А. Лисовский, Е.В. Скубенко, Е.А. Кравченко, 2010 ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 117 и количественные характеристики в различ- ных газах, при различных давлениях газов и размерах электродов, поэтому этот вопрос уже давно исследуется рядом научных групп [2, 3]. В большинстве работ тлеющий разряд зажигался между плоскими параллельными электродами равной площади. При этом пло- щадь анода, как правило, была равна площади поперечного сечения разрядной трубки. В на- стоящее время в литературе имеются лишь результаты о влиянии формы анода на знак и величину анодного падения напряжения в длинной разрядной трубке в парах ртути [4, 5]. Однако, практически нет данных, которые показывают влияние размеров анода на пара- метры плазмы разряда постоянного тока в ко- ротких разрядных трубках. В связи с этим на- шей целью было изучить влияние размеров плоского анода на зажигание и вольт-ампер- ные характеристики тлеющего разряда посто- янного тока. У анода, замыкающего положительный столб газового разряда, в зависимости от ус- ловий наблюдается либо положительный ска- чок потенциала, достигающий величины не- скольких единиц, а иногда нескольких де- сятков вольт, либо отрицательный, не пре- вышающий в обычных условиях 3 – 4 В. При положительном анодном падении напряже- ния на аноде присутствует свечение в виде тонкой пленки. С повышением давления эта светящаяся пленка теряет свою однород- ность; на ней возникают более яркие выпук- лые образования-“пятна”, имеющие полу- сферическую форму. При отрицательном анодном падении светящаяся пленка отсут- ствует. Знак и величина анодного падения зависят от формы как самого анода, так и ок- ружающих его стенок разрядного пространс- тва, от рода и давления газа, силы тока и от других разрядных условий. Знак и величина анодного падения явля- ются тем регулятором, который поддержи- вает концентрацию заряженных частиц перед анодом на уровне, обеспечивающем подведе- ние к нему разрядного тока. При отрицатель- ном анодном падении ионы уходят на анод, понижая концентрацию заряженных частиц в плазме. При положительном анодном паде- нии ионы не только не могут уходить на анод, но их концентрация перед анодом дополни- тельно возрастает за счет ионизации газа в слое у анода электронами, ускоренными в пределах анодного падения [3]. Отрицательное анодное падение образует- ся у полого анода, представляющего собой цилиндр с внутренней поверхностью, имею- щей диаметр, равный диаметру разрядной трубки [4]. У малых плоских анодов, занима- ющих только небольшую часть сечения раз- рядной трубки, всегда возникает положите- льное анодное падение. Авторы работы [5] показали, что полый и малый полусфери- ческий аноды имеют во всех случаях, соот- ветственно, отрицательный и положитель- ный знаки анодного падения. Плоский анод при высоких разрядных токах имеет в основ- ном отрицательное анодное падение. Однако при низких токах анодное падение стано- вится положительным и равным 6 – 8 В. Зондовыми измерениями показано, что все электрические и световые явления у анода оп- ределяются условиями возникновения и ис- чезновения положительных ионов в прост- ранстве перед анодом, то есть процессами, от которых зависят распределения концент- рации заряженных частиц и потенциала в анодном пространстве. В работе [6] экспериментально исследо- вана анодная область в газовом разряде при низких давлениях паров ртути. Показано, что понижение ионизующей способности элект- ронов, вызванное отбором наиболее быстрых электронов на вспомогательный электрод, расположенный вблизи поверхности плос- кого анода, приводит к уменьшению частоты ионизации молекул газа и, следовательно, к понижению концентрации положительных ионов. Отрицательный объемный заряд электронов, которые переносят разрядный ток к аноду, в этом случае не может быть ском- пенсирован и анодное падение становится положительным. Как показано в работе [7], анодные пятна образуются на однородной пленке анодного свечения, когда положительное анодное падение и давление газа начинают превышать некоторые определенные значения. С повы- шением давления число пятен быстро воз- растает, а их размеры уменьшаются. В.А. ЛИСОВСКИЙ, Е.В. СКУБЕНКО, Е.А. КРАВЧЕНКО 118 В литературе имеется большое количество теоретических работ, посвященных числен- ному моделированию процессов в анодном слое при различных разрядных условиях (см., например, работы [8 – 15]). Однако в рассмотренных выше статьях, как правило, исследования проводились с плоскими анодами, полностью перекрываю- щими сечение разрядной трубки. Только в статьях [4, 5] изучено влияние формы анода на величину и знак падения напряжения на прианодном слое. В то же время, в литературе отсутствуют данные о влиянии размеров пло- ского анода на зажигание и вольт-амперные характеристики тлеющего разряда. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ Для изучения влияния размеров плоского анода на зажигание и вольт-амперные харак- теристики тлеющего разряда постоянного то- ка использовались две разрядные камеры, схемы которых показаны на рис. 1. В первом случае (рис.1а) кварцевая трубка имела внут- ренний диаметр 56 мм. Диаметр катода был равен 55 мм. Эксперименты проводились с плоскими анодами, диаметр которых был ра- вен 55 мм, 5 мм, 3 мм и 0,8 мм. В случае ано- дов малой площади сечение трубки перекры- валось диэлектрической пластиной диамет- ром 55 мм, через отверстие в которой встав- лялся анод, находящийся с пластиной в од- ной плоскости. Расстояние между электро- дами было 20 мм. Азот подавался в камеру с помощью системы напуска газа СНА-1. Для регистрации давления газа в диапазоне от 10–3 Торр до атмосферного мы использовали вакуумный термоэлектрический датчик 13ВТ3-003. Откачка газа производилась с помощью форвакуумного насоса, что обеспе- чивало предельный вакуум порядка 10−4 Торр. Источник постоянного напряжения подклю- чался к катоду, а анод был заземлен. Величина разрядного тока регистрировалась цифровым амперметром, а напряжение на разряде – циф- ровым вольтметром. В разрядную цепь под- ключалось внешнее сопротивление величи- ной 50 кОм, которое ограничивало ток и пре- пятствовало возникновению катодных пятен. Эксперименты проводились при давлениях азота p = 0,1 – 10 Торр в диапазоне постоян- ного напряжения Udc ≤ 3000 В. Во втором случае (рис.1б) кварцевая трубка имела внутренний диаметр 100 мм. Электроды полностью перекрывали все се- чение разрядной трубки. При проведении экс- периментов на аноде располагалась диэлект- рическая пластина толщиной 1 мм, в центре которой было сделано отверстие необходимо- го диаметра. Таким образом, собирающая поверхность анода ограничивалась данным отверстием. Эксперименты были выполнены с диаметрами анодов 100 мм, 10 мм и 5 мм. Расстояние между электродами было равно 32 мм. В этом случае исследования прово- дились с аргоном в диапазоне давлений p = 0,01 − 10 Торр. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТА- ТЫ ВЛИЯНИЕ ДИАМЕТРА АНОДА НА ЗАЖИГАНИЕ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА Для зажигания тлеющего разряда необходи- мо, чтобы скорость рождения заряженных частиц вследствие ионизации молекул газа электронным ударом и вторичной ион-элект- а) б) Рис. 1. Схема экспериментальной установки. ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЖИГАНИЯ И ГОРЕНИЯ РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ... ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 119 ронной эмиссии из поверхности катода была равна скорости потерь на стенках трубки вследствие диффузии и дрейфового ухода на электроды. Этот баланс должен выполняться в разрядных камерах любой геометрии. На рис. 2 приведены кривые зажигания тлеющего разряда в азоте в камере, показан- ной на рис. 1а, измеренные для различных диаметров анода. Из рис. 2 видно, что наилучшие условия для зажигания разряда наблюдаются в случае, когда анод перекрывает все поперечное се- чение разрядной трубки (кривая для диаметра анода 55 мм). Минимум этой кривой зажига- ния находится при давлении азота 0,25 Торр и напряжении 286 В. При уменьшении диа- метра анода кривые зажигания смещаются в область более высоких давлений газа и про- бойных напряжений. Так, для анода диамет- ром 5 мм минимум кривой зажигания наблю- дается при 0,3 Торр и 508 В, а для анода диа- метром 3 мм координаты минимума стали 0,33 Торр и 632 В. При уменьшении диаметра анода увеличивается площадь диэлектричес- ких стенок, на которые могут уходить элект- роны вследствие диффузии. Для компенсации этих потерь нужно обеспечить более высо- кую скорость ионизации молекул газа элект- ронами. Повышение давления увеличивает частоту ионизации и одновременно уменьша- ет скорость диффузионного ухода заряжен- ных частиц на стенки. Поэтому уменьшение диаметра анода привело, во-первых, к повы- шению пробойного напряжения, во-вторых, к смещению кривой зажигания в область бо- лее высоких давлений газа. Подобное пове- дение кривых зажигания наблюдается при уменьшении диаметра разрядной трубки, а также снижении эмиссионной способности катода (что было ранее показано в статьях [16 – 18]). Представляет интерес измерить кри- вые зажигания для анодов очень маленького диаметра в широком диапазоне давлений га- за. Уменьшение диаметра анода приводит не только к повышенному уходу заряженных частиц на стенки трубки и окружающую анод диэлектрическую поверхность, но и к усиле- нию ионизации вблизи анода. В разрядной камере с малым анодом распределение элект- рического поля становится сильно неодно- родным, вблизи поверхности анода напря- женность электрического поля значительно увеличивается. Поэтому на кривых зажига- ния для очень малых анодов могут появиться дополнительные особенности, которые не на- блюдаются при использовании анодов боль- шего диаметра. Измерения кривых зажигания тлеющего разряда в аргоне, выполненные в камере, по- казанной на рис. 1б, дали аналогичные резу- льтаты (см. рис. 3). В этой разрядной камере диаметр анода регулировался диаметром от- верстия, сделанного в тонкой диэлектричес- кой пластине, которой покрывался анод. Кри- вая зажигания для анода, не покрытого ди- электрической пластиной, имеет в минимуме наименьшие давление газа и пробойное на- пряжение. Для анода, накрытого пластиной с отверстием маленького диаметра, кривая Рис. 2. Кривые зажигания разряда постоянного тока в азоте при диаметрах анода 0,8 мм, 3 мм, 5 мм, 55 мм. Рис. 3. Кривые зажигания разряда постоянного тока в аргоне при диаметрах анода 5 мм, 10 мм, 100 мм. В.А. ЛИСОВСКИЙ, Е.В. СКУБЕНКО, Е.А. КРАВЧЕНКО 120 зажигания смещается в область повышенных давлений газа и пробойных напряжений. ВЛИЯНИЕ ДИАМЕТРА АНОДА НА ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИС- ТИКИ (ВАХ) ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА Целью данного эксперимента было измерить вольт-амперные характеристики тлеющих разрядов в азоте и аргоне для различных ка- мер и нескольких диаметров анода. Резуль- таты исследований приведены на рис. 4 – 6. На рис. 4 представлены вольт-амперные характеристики разрядов в азоте в широком диапазоне давлений для разрядной камеры, показанной на рис.1а. Как видно из рис. 4, при давлениях азота 0,1 – 0,3 Торр разряд горит только в аномаль- ном режиме. Начиная с давления 0,5 Торр и выше, при низких разрядных токах разрядное пятно занимает только часть поверхности ка- тода и наблюдается нормальный режим, который с ростом тока переходит в аномаль- ный. Уменьшение диаметра анода привело к повышению наименьшего напряжения под- держания разряда. Вольт-амперные характеристики разрядов в аргоне при различных давлениях представ- лены на рис. 5. Исследования были проведе- ны в разрядной камере, показанной на рис.1б. Поведение вольт-амперных характеристик в аргоне и азоте оказалось аналогичным. На рис. 6 сравниваются вольт-амперные характеристики разряда в аргоне, измеренные при одинаковых давлениях газа и различных диаметрах анода. Из рис. 6 видно, что при давлении аргона р = 0,1 Торр вольт-амперные характеристики для диаметров анода 100 мм и 5 мм качественно подобны, но уменьшение диаметра анода привело к повышению напря- жения погасания разряда, а также к меньшей скорости роста тока при увеличении напря- жения на электродах. Для давления аргона р = 0,5 Торр при наименьших разрядных токах наблюдается нормальный режим горе- ния, то есть с понижением тока разрядное пятно сжимается, занимая только часть по- верхности катода. При давлении р = 2 Торр в широком диапазоне токов разряд горит в нор- мальном режиме как для маленького, так и а) б) Рис. 4. Вольт-амперные характеристики тлеющего раз- ряда при различных давлениях азота и диаметрах ано- да 55 мм – а) и 3 мм – б). Диаметр трубки 55 мм. а) б) Рис. 5. Вольт-амперные характеристики тлеющего раз- ряда в аргоне при различных давлениях и диаметрах анода 100 мм – а) и 5 мм – б). Диаметр трубки 100 мм. ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЖИГАНИЯ И ГОРЕНИЯ РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ... ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 121 для большого анодов. Однако для анода диа- метром 5 мм понижение разрядного тока со- провождается значительным ростом напря- жения на электродах. Для анода диаметром 100 мм этот эффект выражен гораздо слабее. Обычно разрядный шнур нормального ре- жима тлеющего разряда, горящего между электродами большой площади, на аноде за- нимает большую площадь, чем на катоде. Но при диаметре анода 5 мм ситуация обратная, т.е. разрядный шнур на аноде ограничен его площадью и не может расширяться, а при приближении к катоду диаметр шнура уве- личивается. В случае электродов большой площади расширение плазменного шнура вблизи анода вызвано амбиполярной диф- фузией заряженных частиц. И для компенса- ции потерь электронов из разрядного шнура малого диаметра напряжение на электродах должно быть более высоким. В случае анода маленького диаметра сужение разрядного шнура при движении электронов к аноду при- водит к их повышенному уходу вследствие амбиполярной диффузии. Этим и можно объяснить значительный рост напряжения на электродах при понижении тока нормального режима тлеющего разряда с малым анодом. Визуальные наблюдения тлеющего разря- да в аргоне при различных давлениях и диа- метре анода 5 мм показывают, что при низ- ком давлении (0,1 Торр) разряд горит в ано- мальном режиме, заполняя всю поверхность катода. Весь разрядный промежуток занят катодным слоем (параллельным поверхности катода) и отрицательным свечением, диффу- зно заполняющим оставшуюся часть зазора между электродами. При всех исследованных давлениях аргона вблизи малого анода на- блюдается яркое анодное свечение. Как было ранее показано в работе [5], вблизи малого анода формируется анодный слой с положи- тельным падением напряжения, чтобы под- вести к поверхности анода разрядный ток. В случае анода, заполняющего все сечение разрядной трубки, анодное свечение наблю- дается только при достаточно больших дав- лениях, когда может при небольших разряд- ных токах появиться нормальный режим горения, а при низких давлениях анодное све- чение не наблюдается. При более высоких давлениях аргона (1 Торр и выше) разряд мо- жет гореть как в нормальном, так и в ано- мальном режиме. Разрядное пятно, как правило, в нормаль- ном режиме располагается не в центре катода, а на его периферии, вблизи стенки разрядной трубки. Из плазменного шнура нормального разряда заряженные частицы уходят в бесто- ковую область вследствие амбиполярной диффузии, где и рекомбинируют. Если плаз- менный шнур располагается вблизи края Рис. 6. Вольт-амперные характеристики тлеющего раз- ряда в аргоне при давлениях 0,1 Торр, 0,5 Торр, 2 Торр и диаметрах анода 100 мм и 5 мм. Диаметр трубки 100 мм. В.А. ЛИСОВСКИЙ, Е.В. СКУБЕНКО, Е.А. КРАВЧЕНКО 122 катода, то заряженные частицы поступают на стенку трубки, которая при этом приобретает отрицательный плавающий потенциал. Это приводит к тому, что потери заряженных час- тиц на стенке трубки уменьшаются, т.к. отри- цательно заряженная стенка отталкивает мед- ленные электроны обратно в плазму. Поэтому нормальный режим тлеющего разряда пред- почитает гореть не в центре катода, а вблизи его края. ВЫВОДЫ 1. В данной работе были измерены кривые зажигания тлеющего разряда постоянного тока. Показано, что наилучшие условия для зажигания разряда наблюдаются в случае, когда анод перекрывает все попе- речное сечение разрядной трубки (кривая для диаметра анода 55 мм). Уменьшение диаметра анода привело к смещению кривых зажигания в область более высо- ких давлений газа и пробойных напряже- ний. При небольших диаметрах анода увеличиваются площадь диэлектрических стенок и потери заряженных частиц вследствие диффузии. Поэтому при уменьшении диаметра анода повышается пробойное напряжение, а кривые зажиг- ания смещаются в область более высоких давлений газа. 2. Показано, что уменьшение диаметра ано- да привело к повышению напряжения по- гасания разряда. 3. Получено, что чем меньше диаметр анода, тем ниже скорость роста тока с увеличе- нием напряжения на электродах. В нор- мальном режиме горения для анода не- большого диаметра понижение разряд- ного тока сопровождается значительным ростом напряжения на электродах. По- видимому, это связано с повышенным уходом заряженных частиц вследствие амбиполярной диффузии из-за сужения разрядного шнура при движении электро- нов к аноду маленького диаметра. 4. Во всем исследованном диапазоне давле- ний газа вблизи малого анода наблюдается яркое анодное свечение. Это указывает на наличие большого положительного паде- ния напряжения на анодном слое. ЛИТЕРАТУРА 1. Радиофизическая электроника/Под ред. Кап- цова Н.А. – Из-во Московского университета, 1960. – С. 470-471. 2. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. – М.: Наука, 1987. – 592 c. 3. Грановский В.Л. Электрический ток в газах. – М.: Наука, 1971. – 490 с. 4. Клярфельд Б., Первова Л. Отрицательные и положительные анодные падения в разряде низкого давления//ЖТФ. – 1945.– Т. 15, № 9. – С. 640-644. 5. Клярфельд Б.Н., Неретина Н.А. Анодная об- ласть в газовом разряде при низких давлени- ях. I. Влияние формы анода на знак и величи- ну анодного падения//ЖТФ. – 1958. – Т. 28, № 2. – С. 296-315. 6. Неретина Н.А., Клярфельд Б.Н., Анодная об- ласть в газовом разряде при низких давлени- ях. II. Роль температуры электронов плазмы, температуры поверхности анода и коэффици- ента аккомодации молекул на аноде//ЖТФ. – 1959. – Т. 29, № 1. – С. 15-23. 7. Клярфельд Б.Н., Неретина Н.А. Анодная об- ласть в газовом разряде при низких давлени- ях. III. Возникновение на аноде дополнитель- ных плазм (анодных пятен)//ЖТФ. – 1960. – Т. 30, № 2. – С. 188-198. 8. Пашкин С.В. Об анодной области высоково- льтного диффузного разряда при средних дав- лениях//ТВТ.–1976.–Т. 14, № 3. – С. 638-639. 9. Дыхне А.М., Елкин Н.Н., Напартович А.П., Таран М.Д., Таран Т.В. Численное исследова- ние прианодной неустойчивости тлеющего разряда в электроотрицательном газе//Физика плазмы. – 1984. – Т. 10, № 3. – С. 627-632. 10. Голубовский Ю., аль-Хават Ш., Цендин Л. Распределение электронов в прианодной об- ласти слаботочного разряда в неоне//ЖТФ. – 1987. – Т. 57, № 7. – С. 1285-1291. 11. Голубовский Ю.Б., Некучаев В.С., Понома- рев Н.С. Запертые и свободные электроны в прианодной области стратифицированого разряда//ЖТФ.– 1998.– Т. 68, № 3.– С. 25-32. 12. Jenista J., Heberlein J.V.R., Pfender E. Nume- rical model of the anode region of high-current electric arcs//IEEE Trans. on Plasma Sci. – 1997. – Vol. 25, No. 5. – P. 883-890. 13. Wilke C., Porohova I., Dinklage A., Golubov- skii Yu.B. Electron distribution function in the anode region of inert gas discharges at low pres- sures and current//J. Phys. D: Appl. Phys. – 1999. – Vol. 32, No. 23. – P. 3025-3031. ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЖИГАНИЯ И ГОРЕНИЯ РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ... ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 123 14. Islamov R. Sh. Physical model of anode glow patterns in elevated-pressure gas discharges// Physical review. – 2001. – Vol. 64, No. 4. – P. 046405 (1-13). 15. Loffhagen D., Sigeneger F., Winkler R. Study of the electron kinetics in the anode region of a glow discharge by a multiterm approach and Monte Carlo simulations// . Phys. D: Appl. Phys. – 2002. – Vol. 35, No. 14 – P. 1786-1776. 16. Лисовский В.А., Яковин С.Д. Модифициро- ванный закон Пашена для зажигания тлею- щего разряда в инертных газах//ЖТФ. – 2000. – Т. 70, № 6. – С. 58-62. 17. Лисовский В.А., Яковин С.Д. Закон подобия при пробое газа низкого давления в однород- ном постоянном электрическом поле//Письма в ЖЭТФ. – 2000. – Т. 72, № 2. – С. 49-53. 18. Lisovskiy V.A., Yakovin S.D., Yegorenkov V.D. Low-pressure gas breakdown in uniform dc electric field//J. Phys. D: Appl. Phys. – 2000. – Vol. 33, No. 21. – P. 2722-2730. В.А. ЛИСОВСКИЙ, Е.В. СКУБЕНКО, Е.А. КРАВЧЕНКО

Экспериментальное исследование зажигания и горения разряда постоянного тока при различных диаметрах анода

Institution

Ähnliche Einträge