Ионизационные процессы в электродной системе отрицительная игла–плоскость. Эксперимент

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследуются ионизационные процессы в воздухе – коронный разряд при сильно и слабо заостренных электродах с высоковольтным активным отрицательным потенциалом. Основное внимание уделяется влиянию поверхностных и деградационных процессов на коронирующих электродах. Производится измерение вольт-амперных характеристик в окрестности напряжения зажигания коронного разряда, изучается проблема экспериментальной идентификации поверхностных зарядов. Оценивается распределение ионов по цвету свечения ионизационных зон и интегральному спектру коронного разряда. Темновой ток при коронирующем слабо искривленном отрицательном электроде объясняется захватом поверхностных электронов электроноакцепторными молекулами кислорода. Делается вывод, что механизм поверхностной электронной ионизации одинаков как в темновой области в воздухе (при стандартных условиях), так и в растворах жидких диэлектриков с йодом, в которых вольт-амперная характеристика обусловлена захватом поверхностных электронов молекулами йода.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. И. Жакин

ФГБОУВО «Юго-Западный государственный университет»

Автор, ответственный за переписку.
Email: zhakin@mail.ru
Россия, г. Курск

А. Е. Кузько

ФГБОУВО «Юго-Западный государственный университет»

Email: kuzko@mail.ru
Россия, г. Курск

Список литературы

  1. Леб Л. Основные процессы электрических разрядов в газах. М.–Л.: Гостехиздат, 1950. 672 c.
  2. Weissler G.L. Positive and Negative Point-to-plane Corona in Pure and Impure Hydrogen, Nitrogen, and Argon // Phys. Rev. 1943. V. 63(3-4). P. 96.
  3. Клярфельд Б.Н., Гусева Л.Г., Покровская-Соболева А.С. Тлеющий разряд при низких давлениях и плотностях тока до 0.1 А/см 2 // ЖТФ. 1966. Т. 36. № 4. С. 704.
  4. Смирнов Б.М. Отрицательные ионы. М.: Атомиздат, 1978. 176 с.
  5. Thompson J.B. Electron Energy Distribution in Plasmas. IV. Oxygen and Nitrogen // Proc. Roy. Soc. (London). 1961. V. A 262. P. 503.
  6. Thompson J.B. The Ion Balance of the d.c. Glow Discharge // Proc. Roy. Soc. (London). 1961. V. A 262. P. 519.
  7. Twiddy N.D. Electron Energy Distributions in Plasmas. III. The Cathode Regions in Hellion, Neon and Argon // Proc. Roy. Soc. (London). 1961. V. A 262. P. 379.
  8. Френсис Г. Ионизационные явления в газах. М.: Атомиздат, 1964. 207 с.
  9. Мик Дж., Крегс Дж. Электрический пробой в газах. М.: Изд-во иностр. лит., 1960. 605 с.
  10. Lama W.L., Gallo C.F. Systematic Study of the Electrical Characteristics of the Trichel Current Pulses from Negative Needle-to-plane Coronas // J. Appl. Phys. 1974. V. 45. P. 103.
  11. Sigmond R.S. Electrical Breakdown of Gases. N.Y.: Wiley, 1978. 319 p.
  12. Брюининг Г. Физика и применение вторичной электронной эмиссии. М.: Сов. радио, 1958. 192 c.
  13. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. М.: Наука, 1966. 564 с.
  14. Смирнов Б.М. Физика слабоионизованного газа. В задачах с решениями. М.: Наука; Гл. ред. физ.-мат. лит., 1985. 424 с.
  15. Мнацаканян А.Х., Найдис Г.В., Солозобов Ю.М. К теории коронного разряда в нагретом воздухе // ТВТ. 1986. Т. 24. № 6. С. 1060.
  16. Мнацаканян А.Х., Найдис Г.В. Процессы образования и гибели частиц в азотно-кислородной плазме // Химия плазмы. Сб. ст. Вып. 14 / Под общ. ред. Смирнова Б.М. М.: Энергоиздат, 1987. C. 296.
  17. Александров Н.Л., Высикайло Ф.И., Исламов Р.Ш., Кочетов И.В., Напартович А.П., Певгов В.Г. Функция распределения электронов в смеси N 2 : O 2 = = 4 :1 // ТВТ. 1981. Т. 19. № 1. С. 22.
  18. Верещагин И.П. Коронный разряд в аппаратах электронно-ионной технологии. М.: Энергоатомиздат, 1985. 160 c.
  19. Рубашов И.Б., Бортников Ю.С. Электрогазодинамика. М.: Атомиздат, 1971. 168 c.
  20. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. М.: Изд-во МГУ, 1987. 237 с.
  21. Сирота Т.В., Сафронова В.Г., Амелина А.Г. и др. Влияние отрицательных аэроинов на органы дыхания и кроветворения // Биофизика. 2008. Т. 53. № 5. С. 886.
  22. Nagato K., Matsui Y., Miyata T., Yamauchi T. An Analysis of the Evolution of Negative Ions Produced by a Corona Ionizer in Air // Int. J. Mass Spectrometry. 2006. V. 248. Iss. 3. P. 142.
  23. Farouk T. Modeling and Simulations of DC and RF Atmospheric Pressure Non-thermal Micro Plasma Discharges: Analysis and Applications // A Thesis Submitted to the Faculty of Drexel University. 2009. 352 p.
  24. Sattari Paria. FEM-FCT Based Dynamic Simulation o f Trichel Pulse Corona Discharge in Point-Plane Configuration // Electronic Thesis and Dissertation Repository. 2011. https://ir.lib.uwo.ca/etd/215
  25. Dordizadeh P. Numerical and Experimental Study of the Trichel Pulses in Needle-plane Geometry // Electronic Thesis and Dissertation Repository. Western University (Scholarship@Western). 2016. https: // Ir.Lib.Uwo.ca/Etd/4167
  26. Стишков Ю.К., Самусенко А.В., Ашихмин И.А. Коронный разряд и электрогазодинамические течения в воздухе // УФН. 2019. Т. 188. № 12. С. 1331.
  27. Asipuela A., Iv á ncsy T. Study and Numerical Simulation of Negative and Positive Corona Discharge: A Review. Periodica Polytechnica // Electrical Engineering and Computer Science. 2022. V. 66. № 3. P. 294.
  28. Salah Walid S., Gazeli O., Lazarou C. et al. Investigation of Negative Corona Discharge Trichel Pulses for a Needle-plane Geometry Via Two Numerical 2D Axisymmetric Models //AIP Adv. 2022. V. 12. P. 105123.
  29. Dordizadeh P., Adamiak K., Castle P. Study of the Impact of Photoionization on Negative and Positive Needle-plane Corona Discharge in Atmospheric Air // Plasma Sources Sci. Technol. 2016. V. 25. P. 065009.
  30. Tran T.N., Golosnoy I.O., Lewin P.L., Georghiou G.E. Numerical modelling of negative discharges in air with experimental validation // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44 (1). P. 15203.
  31. Sui J., Panlong A., Liu Z. The Research on the Microscopic Mechanism and Dynamical Characteristics of DC Positive Corona Discharge in Pure O 2 // IEEE Access. 2021. V. 9. doi: 10.1109/ACCESS.2021.3125855.
  32. Morrow R. Theory of Negative Corona in Oxygen // Phys. Rev. A. 1985. V. 32. P. 1799.
  33. Morrow R. The Theory of Positive Glow Corona // J. Phys. D: Appl. Phys. 1997. V. 30. P. 3099.
  34. Yanallah K., Pontiga F., Castellanos A. Numerical Simulation of an Oxygen-fed Wire-to-cylinder Negative Corona Discharge in the Glow Regime // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. № 5. P. 55201.
  35. Akishev Y.S., Grushin M.E., Karal’nik V.B., Trushkin N.I. Pulsed Mode of a Negative Corona in Nitrogen. I. Experiment // Plasma Phys. Rep. 2001. V. 27. № 6. P. 520.
  36. Akishev Y.S., Grushin M.E., Karal’nik V.B., Trushkin N.I. Pulsed Mode of a Negative Corona in Nitrogen. II. Numerical Calculations // Plasma Phys. Rep. 2001. V. 27. № 6. P. 532.
  37. Zhang Yu, Qing Xia, Zhaorui Jiang, Jiting Ouyang. Trichel Pulse in Various Gases and the Key Factor for its Formation // Sci. Rep. 2017. V. 7. 10135. doi: 10.1038/s41598-017-10118-2.
  38. Č ern á k M., Hosokawa T. Similarities between the Initial Phase of a Transient Nonuniform Glow Discharge in Nitrogen and the Negative Corona Trichel Pulse Formation in an Electronegative Gas // Appl. Phys. Lett. 1988. V. 52(3). P. 185.
  39. Č ern á k M., Hosokawa T. The First Trichel Pulse of Negative Corona Discharge in N 2 with a Small Admixture of SF 6 // Czech. J. Phys. B. 1989. V. 39 (9). P. 1032.
  40. Lu B.X., Zhu J.J. Comparison of Discharge Mechanism of Negative Corona between Hyperboloid and Hemispherical Electrodes // IP Advances. 2018. V. 8. P. 125206.
  41. 41. Shaygani A., Adamiak K. Numerical Approaches in Simulating Trichel Pulse Characteristics in Point-plane Configuration // J. Phys. D.: Appl. Phys. 2023. V. 56. P. 385202.
  42. Akishev Y.S, Grushin M.E., Kochetov I.V. et al. Negative Corona, Glow and Spark Discharges in Ambient Air and Transitions between Them // Plasma Sources Sci. Tech. 2005. V. 14(2). P. 18.
  43. Chen X., Lan L., Lu H. et al. Numerical Simulation of Trichel Pulses of Negative DC Corona Discharge Based on a Plasma Chemical Model // J. Phys. D.: Appl. Phys. 2017. V. 50. № 39. P. 5202.
  44. Kokovin A.O., Kozyrev A.V., Kozhevnikov V.Yu. Simulation of Negative Corona Discharge in Atmospheric Air: from Mode of Trichel Pulses to Stationary Discharge // J. Phys. Conf. Ser. 2021. 2064 012024.
  45. Xia Q., Zhang Y., Feng H. et al. Comparison between Trichel Pulse in Negative Corona and Self-pulsing in Other Configurations // Phys. Plasmas. 2018. V. 25. P. 023506.
  46. Feng Y., Cai Z., Yuan S. et al. Investigating the Influence of Free-Electron Pulses and Neutral Excited Species Formation on Discharge Development: By PD Quantum Optics Analysis and Plasma Simulation // IEEE Access. 2024. V. 12. 54510. doi: 10.1109/IEEE ACCESS.2024.3387872.
  47. Zhang X., Liu H., Ren J. et al. Fourier Transform Infrared Spectroscopy Quantitative Analysis of SF6 Partial Discharge Decomposition Components // J. Spectrochim. Acta Part A: Mol. Biomol. Spectroscopy. 2015. V.136. P. 884.
  48. Zhao Y., Wang X., Dai D. et al. Partial Discharge Early-warning Through Ultraviolet Spectroscopic Detection of SO 2 // J. Measurement Sci. Technol. 2014. V. 25(3). P. 035002.
  49. Luo Z.-C., Han F.-Y., Tang B. et al. Optical Properties and Decomposition Mechanisms of SF 6 at Different Partial Discharge Determined by Infrared Spectroscopy // J. AIP Advances. 2018. V. 8. P 6.
  50. Tang B., Han D., Li Y. et al. Analysis on Characteristic Emission Spectrum of SF6 under 50 Hz AC Corona Discharge[C] // IEEE Electrical Insulation Conf. (EIC). IEEE. 2021. P. 711.
  51. Xia C., Ren M., Chen R. et al. Multispectral Optical Partial Discharge Detection, Recognition, and Assessment // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2022. V. 71. P. 1.
  52. Montanari G.C. Aging and Life Models for Insulation Systems Based on PD Detection // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 1995. V. 2. № 4. P. 667.
  53. Sun H., Huang S., Wang Q. et al. Characteristics of Negative Corona Discharge in Air at Various Gaps // IEEE Transactions Plasma Sci. 2018. V. 47. № 1. P. 736.
  54. Liu L., Becerra M. An Efficient Model to Simulate Stable Glow Corona Discharges and Their Transition into Streamers // J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. V. 50. № 10. P. 105204.
  55. Chen S., Nobelen Y., Nijdam S. A Self-consistent Model of Ionic Wind Generation by Negative Corona Discharges in Air with Experimental Validation // Plasma Sources Sci. Technol. 2017. V. 26. № 9. P. 095005.
  56. Guan Y., Vaddi R.S., Aliseda A., Novosselov I.V. Experimental and Numerical Investigation of Electrohydrodynamic Flow in a Point-to-ring Corona Discharge // Phys. Rev. Fluids. 2018. V. 34. P. 043701.
  57. Самусенко А.В., Стишков Ю.К. Электрофизические процессы в газах при воздействии сильных электрических полей. Уч.-метод. пособ. СПб.: ВВМ, 2012. 592 с.
  58. Ватажин А.Б., Грабовский В.И., Лихтер В.А., Шульгин В.И. Электрогазодинамические течения. М.: Наука, 1983. 344 с.
  59. Tsubone H., Ueno J., Komeili B. et al. Flow Characteristics of dc Wire-non-parallel Plate Electrohydrodynamic Gas Pumps // J. Electrostatics. 2008. V. 66. P. 115.
  60. Chang J.S., Tsubone H., Chun Y.N. et al. Mechanism of Electrohydrodynamically Induced Flow in a Wire-non-parallel Plate Electrode Type Gas Pump // J. Electrostatics. 2009. V. 67. P. 335.
  61. Zheng C., Xuefeng Z., Yang Z. et al. Numerical Simulation of Corona Discharge and Particle Transport Behavior with the Particle Space Charge Effect // J. Aerosol Sci. 2018. V. 118. P. 22.
  62. Eijkel J.C.T., Stoeri H., Manz A. A dc Microplasma on a Chip Employed as an Optical Emission Detector for Gas Chromatography // Analytical Chem. 2000. V. 72. P. 2547.
  63. Iza F., Hopwood J. Low-power Microwave Plasma Source Based on a Microstrip Split-ring Resonator // IEEE Transactions Plasma Sci. 2003. V. 31. № 4. P. 782.
  64. Moselhy M., Shi W., Stark R.H. et al. A Flat Glow Discharge Excimer Radiation Source // IEEE Tran-sactions Plasma Sci. 2002. V. 30. № 1. P. 198.
  65. Pancheshnyi S. Role of Electronegative Gas Admixtures in Streamer Start, Propagation and Branching Phenomena // Plasma Sources Sci. Technol. 2005. V. 14. P. 645.
  66. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. 3-е изд. испр. доп. М.: Интеллект, 2009. 736 c.
  67. Мишугин А.М., Самусенко А.В., Стишков Ю.К. Задержка зажигания коронного разряда, вызванная недостатком затравочных электронов // Электронная обработка материалов. 2016. № 52(6). С. 44.
  68. Осипов В.В. Самостоятельный объемный разряд // УФН. 2000. Т. 170. № 3. С. 325.
  69. Добровольский В.Н., Литовченко В.Г. Перенос электронов и дырок у поверхности полупроводников. Киев: Наукова думка, 1985. 191 c.
  70. Волков В.А., Петров В.А., Сандомирский В.Б. Поверхность с высокими кристаллографическими индексами – сверхрешетка для двумерных электронов // УФН. 1980. Т. 31. № 3. P. 423.
  71. Литвинов Е.А., Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Автоэмиссионные и взрывоэмиссионные процессы при вакуумных разрядах // УФН. 1983. Т. 139. Вып. 2. С. 265.
  72. Месяц Г.А. Эктон – лавина электронов из металла // УФН. 1995. T. 165. № 6. C. 601.
  73. Жакин А.И., Кузько А.Е. Исследование электропроводности и ЭГД-течений слабо концентрированного раствора трансформаторного масла с электроноакцепторной примесью (йодом) // Электронная обработка материалов. 2023. № 59(3). C. 32.
  74. Жакин А.И. Приэлектродные и переходные процессы в жидких диэлектриках // УФН. 2006. Т. 176. № 3. С. 289.
  75. Zhakin A.I. Surface Electrons: Theory and EHD Application // Surface Eng. Appl. Electrochem. 2023. № 59 (5). P. 601.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Игольчатые электроды: (а) – общий вид, (б) – форма заострений и кончиков игл (увеличение оптическим микроскопом), (в) – электронное фото кончика Fe-иглы.

Скачать (27KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема экспериментальной установки: В – киловольтметр, А – амперметр.

Скачать (7KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Усредненные (а), (б) и неусредненные ВАХ (в) при h = 10 (а) и 7 мм (б): 1 – Fe, 2 – Cu, 3 – Al, 4 – область флуктуационной неустойчивости.

Скачать (30KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Пульсации тока, обусловливающие излучение звука.

Скачать (8KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Развитие КР с увеличением напряжения на кончике иглы (Fe) при h = 10 мм: (а) – U = 5.3 кВ, (б) – 5.7, (в) – 6.4, (г) – 7.6, (д) – 11.6.

Скачать (21KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Структура стримера в системе электродов игла–кольцо: 1 – игла, 2 – цепочечный стример, 3 – изменение короны с повышением напряжения (слева направо); цвета: б – белый, с – синий, ф – фиолетовый, сс – светло-синий.

Скачать (28KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Спектры излучения КР в темновой (а) и видимой частях спектра (б); по вертикали – произвольные единицы измерения интенсивности.

Скачать (32KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Деградация электродов (вид сбоку): (а) – форма кончиков, (б) – до КР, (в) – после КР в течение 10 мин, (г) – оплавление кончика Fe-иглы (вид сверху).

Скачать (28KB)
Метаданные
10. Рис. 9. ВАХ шарика: 1 – h = 7 мм, 2 – 4 мм.

Скачать (11KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Развитие ионизационной зоны шарика.

Скачать (29KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Электродная система для измерения (а) и ВАХ (б) темнового тока: 1 – ВАХ в начальный момент времени, 2 – через 15 с.

Скачать (15KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024