Главная
База знаний "Allbest"
Физика и энергетика
Исследование вольт-амперных характеристик разряда униполярного пробоя газа в широких интервалах давлений газа и амплитуд импульсного потенциала положительной полярности
Исследование вольт-амперных характеристик разряда униполярного пробоя газа в широких интервалах давлений газа и амплитуд импульсного потенциала положительной полярности
Физика явлений, происходящих в газовых разрядах с непрерывным и импульсным подводом электрической энергии, как основа лазерных технологий. Виды, свойства и характеристики разрядов. Разряд униполярного пробоя газа, его вольт-амперные характеристики.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.02.2013 |
| Размер файла | 1,9 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Потенциал ее в том месте, куда помещен зонд, обозначим Vs. Потенциал плазмы (пространства) Vs отсчитываем от опорного электрода. Пусть Vs мало меняется на протяжении той области, которая возмущена присутствием зонда, т.е. потенциал ближайшей невозмущенной плазмы вокруг зонда равен Vs. Измеряемый на опыте потенциал зонда относительно опорного электрода есть V=VP+VS, где Vp - потенциал зонда относительно невозмущенной плазмы в его окрестности.
Электрический ток с зонда складывается из токов электронов и положительных ионов. Если потенциал зонда совпадает с потенциалом пространства и токособирающая поверхность параллельна направлению внешнего поля между анодом и катодом, заряды попадают на зонд исключительно благодаря своему тепловому движению. Но электроны движутся гораздо быстрее ионов, тем более, что их температура в слабоионизированной плазме гораздо больше ионной (газовой) Т. Поэтому при V= VS зондовый ток практически совпадает с электронным: i?ie. Подчеркнем сам факт: при отсутствии разности потенциалов между проводником и окружающей плазмой проводник собирает электрический ток (электронов).
Когда на зонд подан положительный относительно плазмы потенциал V>VS1 ионы отталкиваются от зонда, ионный ток исчезает вовсе, а электроны притягиваются. Около зонда образуется слой отрицательного объемного заряда, который экранирует потенциал Vp. Падение потенциала от V до Vs и поле зонда сосредоточиваются в области слоя пространственного заряда, асимптотически исчезая при переходе в невозмущенную плазму. Эффект совершенно аналогичен поляризации плазмы вокруг заряда и экранировке поля зарядов в плазме.
Введем условную внешнюю поверхность слоя - границу, дальше которой плазму можно приближенно считать нейтральной, а поле - отсутствующим. Электроны попадают извне на границу слоя, а потом и на зонд, в основном благодаря тепловому движению, чем и определяется их поток, который слабо зависит от потенциала зонда. Зондовый ток совпадает с более или менее постоянным электронным током насыщения iнас.
Этому соответствует верхняя пологая часть ВАХ АВ. В идеальном случае "безграничной" плоскости iнас=const и эта часть ВАХ была бы горизонтальной. В случае небольшого зонда ток нарастает с ростом положительного потенциала, но медленнее, чем в крутой части ВАХ. Если создать на зонде отрицательный относительно плазмы потенциал, электронный ток резко падает по мере возрастания Vp, так как все меньше электронов обладает скоростями, достаточными для преодоления тормозящего поля. Так возникает крутая часть характеристикам С. Место верхнего "излома" ВАХ (точка В, соответствующая Vp?0), фиксирует потенциал пространства Vs. Его так и можно найти на опыте. Передвигая зонд, по разности потенциалов Vs в соседних точках определяют электрическое поле.
При некотором отрицательном потенциале Vp = Vf (точка D) ток исчезает. В этом состоянии поток на зонд небольшого количества энергичных электронов, способных преодолеть тормозящий потенциал, компенсирует поток ионов. Такой потенциал (он называется плавающим) приобретает помещенное в плазму изолированное тело. Можно сказать, что в опытах с зондом без питания измеряли не потенциал плазмы, а более отрицательный плавающий.
При еще больших отрицательных потенциалах зонд отталкивает практически все электроны. Ионы он притягивает. Зонд окружает ионный слой положительного объемного заряда, который экранирует большой отрицательный потенциал Vp. Ток на зонд является чисто ионным, причем определяется он потоком ионов, попадающих на границу слоя из окружающей плазмы. Поток этот мало зависит от потенциала зонда, который заэкранирован, т. е зондовый ток меняется медленно и совпадает с ионным током насыщения. Этому соответствует нижняя пологая часть ВАХ [19].
III.4 Получение данных для построения вольт-амперных характеристик
Возможность рассчитать потребляемый от источника ток по плотности заряда даже при отсутствии второго электрода позволяет при УПГ построить ВАХ разряда.
Для получения вольт-амперной характеристики использовалась установка, описанная выше. Данные снимались при трех частотах (500, 1000, 2000 Гц), и пяти значениями потенциала (3, 6, 9, 12, 15 В), которые все подаются от генератора на покрытие-электрод разоразрядной трубки. Данные снимались с помощью компьютерного осциллографа DSO-2100. По данным, полученным с осциллографа, были найдены потенциалы зондов, их ток, а также время задержки зонда. С помощью этих данных, линейных размеров трубки и зондов находятся величины: заряды на зондах qз, суммарный заряд поверхности трубки qтр, поверхностная у и объемная с плотность трубки. А уже потом находится ток поверхности трубки Iтр, по которому и строится вольт-амперная характеристика.
В первую очередь нужно было найти площадь поверхности трубки, длину свечения и соответственно площадь свечения трубки при различных частотах, потенциале и давлениях:
(4)
(5)
Вычисляем ток каждого зонда:
(6)
Из этой формулы вычисляем заряд на одном из зондов:
(7)
Очень важная величина при нахождении вольт-амперной характеристики является поверхностная плотность заряда:
(8)
Суммарный заряд трубки можно вычислить из поверхностной плотности:
(9)
Ток поверхности трубки находим из разности суммарного заряда q и времени задержки генератора:
(10)
По полученным данным была построена зависимость токов на поверхности трубки от значений потенциала, который подается на покрытие электрод (U).
III.5 Построение вольтамперных (ВАХ) характеристик одноэлектродного разряда униполярного пробоя газа (УПГ) по распределению электрических зарядов на поверхности стеклянной трубки с амплитудой импульсного потенциала положительной полярности
Способ возбуждения разряда УПГ и его феноменология исключают возможность объяснения механизма его развития любыми из известных теорий разрядных процессов [1-3]. Однако достоверную картину того, что происходит в объеме разряда, можно получить из измерения локальной плотности электрического заряда, наводимого на поверхности трубки с объемом разряда УПГ. Заряды на поверхности трубки и электромагнитное поле вокруг нее появляются вследствие распада светящихся заряженных образований (СЗО), появляющиеся в объеме трубки с приходом на единственное покрытие-электрод (ПЭ) очередного импульса высоковольтного потенциала ци (треугольной формы) одной полярности. Распад СЗО сопровождает их последовательное смещение от ПЭ по объему разреженного газа внутри трубки и фиксируется по изменению временных и амплитудных значений импульсного потенциала ц3 и локальными изменениями плотности заряда на поверхности трубки, в объеме которой наблюдается свечение газа.
Изменение цз проводились поверхностными зондами (узкие кольца из металлической фольги) на различных расстояниях от ПЭ (из мелкой металлической сетки, 1x1 мм); ПЭ размещался поверх одного из концов длинной (~ Зм) стеклянной трубки. На ПЭ подавались импульсы высоковольтного потенциала ци (1000-15000 В) при их длительности (по основанию импульсов) tи < 20 мкс и частоте следования 500-2000 Гц.
По току с зондов и их площади рассчитывались заряды и поверхностная плотность этих зарядов у (Кл/м2) на поверхности зондов, которая отождествлялась с их плотностью на поверхности стенки под
Рис.14. Вольт-амперная характеристика разряда УПГ при частоте импульсов f=2000 Гц
площадью зонда. По измерениям а на нескольких областях поверхности трубки рассчитывалось среднее значение а на всей ее поверхности и общий ток I (mА), который стекает с поверхности трубки за длительность tи импульса потенциала ци на ПЭ. Измерения поверхностной плотности заряда а показали ее зависимость от двух основных параметров возбуждения разряда: амплитуды импульсного потенциала ци (в большей степени) и давление воздуха в его объеме.
III.6. Плотность электрического заряда на стеклянной поверхности трубки с разрядом униполярного пробоя газа
Плотность зарядов на стеклянной поверхности трубки с разрядом УПГ рассчитывалась по току с кольцевых зондов и их площади . По результатам измерений и расчётов на локальных областях поверхности (под площадью зондов) оценивалось среднее значение на всей поверхности трубки и общий ток , стекающий с поверхности трубки за длительность импульса потенциала на поверхности зонда.
Наличие на стеклянной поверхности трубки с разрядом УПГ электрических зарядов [18] и сильных () импульсных электрических полей, фиксируемых на расстоянии более 2-х метров от поверхности трубки [17] предполагает присутствие в газовой среде разряда свободных зарядов - только они могут быть источниками электрических полей как на поверхности трубки, так и вокруг нее. Именно такие заряды (причем локализованные в больших объемах, распад которых происходит значительное время, - в течение времени движения этих свободных объемных зарядов - СОЗов - на большой длине () объема трубки) обеспечивают наличие электрических полей на поверхности трубки и вокруг нее, а также самостоятельность разряда и стационарный характер структуры его свечения [17].
В разреженном газе разряд УПГ возбуждается высоковольтными импульсами треугольной формы, поступающими на единственное покрытие-электрод (ПЭ), с плоской или цилиндрической геометрией, выполненный из металлической фольги или мелкой сетки (1Ч1 мм) и размещенный на наружной поверхности торцевой или боковой стенки стеклянной трубки. Амплитуда импульсов - более, частота их поступления на ПЭ - , длительность по основанию импульсов - .
Достоверную картину того, что происходит в объеме разряда, можно получить из измерения локальной плотности электрического заряда, наводимого на поверхности трубки с объемом разряда УПГ. Заряды на поверхности трубки и электромагнитное поле вокруг нее появляются вследствие распада светящихся заряженных плазменных образований (ЗПО), появляющиеся в объеме трубки с приходом на единственное покрытие-электрод (ПЭ) очередного импульса высоковольтного потенциала (треугольной формы) одной полярности. Поскольку источниками электрических полей могут быть только свободные объемные заряды, то их отсутствие в обычных 2-х электродных разрядах исключает подобные явления.
Рис. 19 Рис. 20
Для измерения плотности электрического заряда на стеклянной поверхности трубки по ее длине (~ 3 м) размещались 6 зондов, представляющих собой узкие (шириной 4 мм) полоски из металлической фольги. Ток поверхностных зарядов, снимаемый этими зондами, через делитель напряжения поступал на преобразователь сигналов (из аналоговой - в цифровую форму, DSO 2100) и далее - в компьютер для его визуализации и обработки.
Только свободные объемные заряды (причем локализованные в больших объемах, распад которых происходит значительное время, - в течение времени движения зарядов по длине () объема трубки) обеспечивают своими электрическими полями, источниками которых они являются, самостоятельность разряда и стационарный характер структуры его свечения.
В экспериментах фиксировались амплитуды сигнала цз и его длительность по основанию импульса tз тока зарядов, стекающих с поверхности трубки с разрядом УПГ.
Измерения проводились несколькими поверхностными зондами (узкие кольца из металлической фольги) на различных расстояниях от ПЭ (из мелкой металлической сетки, 1х1 мм); ПЭ размещался поверх одного из концов длинной (~ 3м) стеклянной трубки. На ПЭ подавались импульсы высоковольтного потенциала ци (1000-15000 В) при их длительности (по основанию импульсов) и частоте следования 500-2000 Гц.
По току с зондов и их площади рассчитывались заряды и поверхностная плотность этих зарядов на поверхности зондов, которая отождествлялась с их плотностью на поверхности стенки под площадью зонда.
Рис.21. Зависимость плотности электрического заряда на поверхности трубки от амплитуды и частоты потенциала на ПЭ при давлении воздуха p=3 Торра
Измерения локальной плотности электрического заряда, наводимого на поверхности трубки с объемом разряда УПГ, позволяют исследовать характеристики тех объемных зарядов внутри трубки, которые являются подвижными источниками зарядов на поверхности трубки и квазистатических электрических полей внутри объема трубки с разрядом УПГ и на большом расстоянии от её стенки.
Проведение этих экспериментов позволяет устанавливать границы применимости излучательных свойств разряда в различных технологических процессах [16-18].
Эксперименты показывают, что поверхностная плотность электрических зарядов задается только давлением газа в объеме трубки, т.е. существует определенная связь между плотностью молекул (давлением газа) и плотностью заряда, который распределен между этими молекулами.
Плотность и время распада свободных объемных зарядов определяют амплитудные величины переменных электрических и электромагнитных полей вокруг трубки с разрядом, продолжительность их излучения [17].
На рис.21 представлены результаты экспериментов и расчетов по определению характеристик заряженной среды в объеме трубки.
Рис.21. Результаты расчетов электрического поля на стеклянной поверхности трубки с разрядом УПГ по плотности заряда на ее поверхности и электрического поля вокруг трубки.
Поле на поверхности зонда (и трубки) рассчитывалось по максимальному току imax заряда зонда qз, наводимого за 0.5tи (учитывалась треугольная форма импульсов потенциала на ПЭ) с плотностью на поверхности зонда (и на поверхности стеклянной стенки трубки под ) и стекающему через измерительное сопротивление:
(3)
Весь объем экспериментов по исследованию свойств разряда УПГ предполагает однозначный ответ о плотности свободного объёмного заряда в центральной части ЗПО - в объеме СОЗа: его плотность задается только давлением газа и остается постоянной в течение всей жизни ЗПО (СОЗа). Если радиус ЗПО в процессе его перемещения по газу трубки остается неизменным, то именно это обстоятельство позволяет поле поверхности трубки, определенное из плотности заряда на этой поверхности , приравнять полю объемного заряда СОЗа .
Здесь . При ? - ; В экспериментах в зависимости от давления газа () ; .
Рис.22
Рис.23
Рис.24
По измерениям на нескольких участках поверхности трубки рассчитывалось среднее значение на всей ее поверхности и общий ток , который стекает с поверхности трубки за длительность импульса потенциала на ПЭ. Измерения поверхностной плотности заряда показали ее зависимость от двух основных параметров возбуждения разряда: амплитуды импульсного потенциала (в большей степени) и давление воздуха в его объеме. Возможность рассчитать потребляемый от источника ток по плотности заряда даже при отсутствии второго электрода позволяет при УПГ построить ВАХ разряда, при этом потребляемый от источника ток рассчитывается умножением тока с одного зонда на отношение площади общей поверхности трубки к площади зонда:
Заключение
Плазма электрических разрядов в газе широко применяется в современных технологиях. Она используется в газовых лазерах, плазматронах для травления и нанесения покрытий в полупроводниковой технологии, получение веществ, не существующих в окружающей природе и т.д.
Наука о газовых разрядах необходима не только физикам, но и инженерам, специализирующимся по электротехнике, радиотехнике, энергетике, электронике, светотехнике, лазерам, плазмохимии, сварке. Разряды в газах широко используются в технике, поэтому их изучение имеет много технических применений.
Исследование физики газового разряда позволяет понять природу различных явлений от свечения межзвездного газа и звезд, до природы шаровой молнии. Обычно в лаборатории газовый разряд создают, подавая постоянное или переменное напряжение на два электрода, помещенных в разряженный газ. В этом случае наблюдается свечение газа, и структура разряда имеет общин черты: катодное падение потенциала, отрицательное свечение, положительный столб и т.п.
Возможность использования в разряде УПГ цилиндрического ПЭ позволила обнаружить весьма важные зависимости между всеми параметрами возбуждения разряда и отдельными стадиями его развития, которые невозможно получить в любых типах разрядов с постоянной площадью электродов.
Дискретный характер процесса формирования области свечения (ОС), появляющейся за длительность импульса потенциала под поверхностью ПЭ, зависимость ее объема под поверхностью цилиндрического ПЭ от амплитуды импульсного потенциала на ПЭ, от его длительности и площади ПЭ.
При этом формирование ОС в объеме газа под ПЭ всегда начинается вблизи его торцевых кромок и последовательно распространяется на весь его объем под поверхностью ПЭ.
Исследование вольт-амперных характеристик разряда позволяет рассчитывать концентрацию зарядов на поверхности трубки. Из-за малого давления и недостаточного значения потенциала не удается достичь тока насыщения. Поэтому графики возрастают почти прямолинейно.
Литература
[1] Герасимов И.В. ЖТФ, 1986, т.56, в.9, с.1840-1843.
[2] Герасимов И.В. Физика плазмы. 1988.14.1240-1247.
[3] Герасимов И.В. ЖТФ. 1994.65.30-37
[4] Пат. 2076381 Российская Федерация /Поверхностный и объемный источник зарядов одного знака/ Герасимов И.В. - заявитель и патентообладатель (приоритет от 25.03.1991), БИ 9 (1997).
[5] Герасимов А.И., Герасимов И.В., Пыршев М.Н., Сухов А.К. Якунина Л.В. Материал IV Российского семинара "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды”. Моcква. Ноябрь 2003. С.139-141.
[6] Gerasimov A.I., Gerasimov I. V. Proc. XXV Int. Symposium on Plasma Chemistry. Orleans. France. 2001. VIII. PP.3303-3309.
[7] Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука. 1971.
[8] Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука. 1987.
[9] Лозанский Э.Д., Фирсов О.Б. Теория искры. М.: Атомиздат. 1975.
[10] Мик Дж., Крэгс Дж. Электрический пробой в газах. М.: ИИЛ. 1960.
[11] Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах. М.: Мир. 1968.
[12] Герасимов И.В., Копейкина Т.П., Сухов А.К. Локализация энергии высоковольтных импульсов в разряде униполярного пробоя газа (УПГ), возбуждаемое через единственное покрытие-электрод (ПЭ) // Теплофизика высоких температур/ - 2010. - №1 - С.138-141.
[13] О четырёх фазах развития безэлектродного разряда униполярного пробоя газа (УПГ) И.В. Герасимов, Т.А. Бритов. Материалы международной конференции "Физика высокочастотных разрядов”, Казань, 2011. С.177-178.
[14] Начальная стадия развития разряда униполярного пробоя газа (УПГ) - формирование заряженных плазменных образований под поверхностью единственного цилиндрического покрытия-электрода (ПЭ) И.В. Герасимов, Т.А. Бритов Материалы международной конференции "Физика высокочастотных разрядов”, Казань, 2011. С.181-182.
[15] Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газа. М.: Наука. 1991.
[16] Асиновский Э.И., Василяк Л.М., Марковец В.В., Токунов Ю.М. Исследование высокоскоростных пробойных волн при напряжении 250 кВ. // Журнал технической физики. - 1987. - Т.57. - С.703-708.
[17] Герасимов И.В., Копейкина Т.П., Сухов А.К., Бородин Н.Н. О наблюдении эффекта нормальной плотности тока в разряде униполярного пробоя газа (УПГ) // Тезисы докладов XXXVI Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС/ Звенигород, 9-13 февраля 2009. С.240.
[18] Плотность электрического заряда на стеклянной поверхности трубки с разрядом униполярного пробоя газа И.В. Герасимов, Т.А. Бритов Материалы международной конференции "Физика высокочастотных разрядов”, Казань, 2011. С.131-132.
[19] Демидов В.И. Зондовые методы исследования низко-температурной плазмы. М.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1996.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Методики экспериментального определения коэффициента ионизации газа. Напряжение возникновения разряда. Вольт-амперные характеристики слаботочного газового разряда в аргоне с молибденовым катодом. Распределение потенциала в газоразрядном промежутке.
контрольная работа [122,5 K], добавлен 28.11.2011Электрический пробой газов и диэлектриков. Вольт-секундные характеристики изоляции. Разработка импульсного генератора высоких напряжений. Моделирование и построение математической модели, позволяющей проводить расчет электрического разряда в жидкости.
дипломная работа [3,4 M], добавлен 26.11.2011Характеристики тлеющего разряда, процессы, обеспечивающие его существование. Картина свечения. Объяснение явлений тлеющего разряда с точки зрения элементарных процессов. Вольт-амперная характеристика разряда между электродами. Процессы в атомарных газах.
реферат [2,8 M], добавлен 03.02.2016Понятие полупроводникового диода. Вольт-амперные характеристики диодов. Расчет схемы измерительного прибора. Параметры используемых диодов. Основные параметры, устройство и конструкция полупроводниковых диодов. Устройство сплавного и точечного диодов.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 04.05.2011Вольт-амперная характеристика газоразрядного промежутка в миллиамперном диапазоне. Алгоритм численного решения основного уравнения газоразрядного промежутка с плоскопараллельными металлическими электродами. Физический механизм нормально тлеющего разряда.
контрольная работа [108,5 K], добавлен 28.11.2011Исследование спектров электролюминесценции, вольт-амперных и люкс-амперных характеристик "фиолетовых" и "желтых" светодиодов в температурном диапазоне 300-90 К. Анализ процессов токопереноса, генерации и рекомбинации носителей заряда в гетероструктурах.
контрольная работа [245,8 K], добавлен 11.08.2010Характеристики населенного пункта. Удельный вес и теплотворность газа. Бытовое и коммунально-бытовое газопотребление. Определение расхода газа по укрупненным показателям. Регулирование неравномерности потребления газа. Гидравлический расчет газовых сетей.
дипломная работа [737,1 K], добавлен 24.05.2012Принцип действия генератора импульсного напряжения. Характеристики вакуумных разрядников, условия развития пробоя. Исследование электрической прочности РВУ-43, РВУ-53. Расчеты распределения электрического поля в них при помощи программного пакета Comsol.
дипломная работа [8,7 M], добавлен 14.02.2014Исследование и физическая интерпретация соотношения, определяющего зависимость напряжения возникновения разряда от давления газа и межэлектродного расстояния. Возникновение коронного и дугового разрядов в газовом промежутке с плоским оксидным катодом.
реферат [159,5 K], добавлен 30.11.2011Изучение тлеющего газового разряда как одного из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Создание квантовых источников света в люминесцентных лампах. Формирование тлеющего газового разряда при низком давлении газа, малом токе.
презентация [437,2 K], добавлен 13.04.2015
