Ионизационные процессы в электродной системе отрицительная игла–плоскость. Эксперимент

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. И. Жакин

ФГБОУВО «Юго-Западный государственный университет»

Author for correspondence.
Email: zhakin@mail.ru
Russian Federation, г. Курск

А. Е. Кузько

ФГБОУВО «Юго-Западный государственный университет»

Email: kuzko@mail.ru
Russian Federation, г. Курск

References

  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. 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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Needle electrodes: (a) – general view, (b) – shape of needle points and tips (magnification with an optical microscope), (c) – electron photo of the tip of the Fe needle.

Download (27KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Schematic diagram of the experimental setup: B – kilovoltmeter, A – ammeter.

Download (7KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Averaged (a), (b) and non-averaged I-V characteristics (c) at h = 10 (a) and 7 mm (b): 1 – Fe, 2 – Cu, 3 – Al, 4 – fluctuation instability region.

Download (30KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Current pulsations causing sound emission.

Download (8KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Development of CR with increasing voltage at the tip of the needle (Fe) at h = 10 mm: (a) – U = 5.3 kV, (b) – 5.7, (c) – 6.4, (d) – 7.6, (d) – 11.6.

Download (21KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Streamer structure in the needle-ring electrode system: 1 – needle, 2 – chain streamer, 3 – change in corona with increasing voltage (from left to right); colors: b – white, c – blue, f – violet, cc – light blue.

Download (28KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Raman emission spectra in the dark (a) and visible parts of the spectrum (b); vertical – arbitrary units of intensity measurement.

Download (32KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Electrode degradation (side view): (a) – tip shape, (b) – before Raman scattering, (c) – after Raman scattering for 10 min, (d) – melting of the Fe needle tip (top view).

Download (28KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. I–V characteristic of the ball: 1 – h = 7 mm, 2 – 4 mm.

Download (11KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Development of the ionization zone of the ball.

Download (29KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Electrode system for measuring (a) and I-V characteristics (b) of dark current: 1 – I-V characteristics at the initial moment of time, 2 – after 15 s.

Download (15KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences