Коронный разряд - это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях. Главной особенностью этого разряда является то, что ионизационные процессы электронами происходят не по всей длине промежутка, а только в небольшой его части вблизи электрода с малым радиусом кривизны (так называемого коронирующего электрода). Эта зона характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка. Само название «коронный» разряд получил из-за своего свечения, наблюдаемого на тонких проводах и напоминающего солнечную корону.

Основными формами коронного разряда являются лавинная и стримерная. Названия этих форм обусловлены основными характерными процессами, имеющими место в зоне ионизации соответствующих коронных разрядов. Визуально лавинная корона наблюдается в виде относительно тонкого светящегося слоя на гладких электродах и в виде дискретных светящихся пятен на негладких (шероховатых) электродах.

Стримерная корона наблюдается в виде слабо светящихся нитевидных каналов, длина которых в зависимости от конкретных условий может изменяться в широких пределах (от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров).

Часть промежутка, где происходят ионизационные процессы, называется чехлом коронного разряда, а оставшаяся часть промежутка, где происходит дрейф заряженных частиц, является зоной дрейфа. Если в зоне дрейфа существуют заряды только одного знака, то корону называют униполярной, а если заряды обоих знаков, то биполярной. Биполярная корона постоянного тока возникает тогда, когда имеется промежуток с двумя коронирующими электродами (например, промежуток провод-провод или игла-игла), к которому приложено постоянное напряжение. Униполярная корона существует там, где имеется промежуток только с одним коронирующим электродом или с несколькими коронирующими электродами с одинаковой полярностью питающего напряжения.

Процессы в чехле и в зоне дрейфа биполярной короны намного более сложны, чем в униполярной короне, т. к. появляется дополнительный механизм ионной рекомбинации в объеме промежутка и дополнительные механизмы вторичных процессов на электродах, что существенно усложняет математическое описание и моделирование этого вида разряда.

Лавинная форма коронного разряда может реализовываться в виде непрерывной и вспышечной короны. Вспышечный характер короны связан с тем, что подвижность электронов и ионов различается на три порядка. В результате при положительной полярности коронирующего электрода электроны быстро уходят на анод, а положительные ионы, дрейфуя от анода, оказываются в области слабого поля и не могут из-за низкой подвижности быстро уйти от анода.

Поэтому напряженность поля у анода снижается и ионизация практически прекращается.

Следующая лавинная вспышка может возникнуть только после того, как положительные ионы покинут зону ионизации. При положительной полярности коронирующего электрода вспышечная корона возникает как в электроотрицательных, так и в электроположительных газах.

При отрицательной полярности питающего напряжения вспышечный характер разряда возникает только в электроотрицательных газах, где электроны попадая в область слабого поля, прилипают к молекулам образуя мало подвижные ионы, а те в свою очередь снижают напряженность поля в зоне ионизации. Эти вспышечные импульсы получили название импульсов Тричела.

2. Униполярный коронный разряд

Основную часть промежутка между электродами при униполярном коронном разряде занимает зона дрейфа (внешняя зона коронного разряда), в которой движутся ионы только одного знака. Чехол коронного разряда, в котором сосредоточены ионизационные процессы, играет роль поставщика ионов для внешней зоны.

В технологических процессах главную роль играет внешняя зона коронного разряда. Как область поля с униполярным объемным зарядом она характеризуется определенным распределением напряженности поля Е и плотности объемного заряда p.

Система уравнений поля для внешней зоны коронного разряда имеет следующий вид:

Первое уравнение - уравнение Пуассона - представляет собой запись теоремы Гаусса в дифференциальной форме и устанавливает связь между плотностью объемного заряда и напряженностью поля E. Второе уравнение - известное выражение напряженности поля через потенциал . Далее следует уравнение неразрывности плотности тока. Четвертое уравнение отражает связь плотности тока J с плотностью объемного заряда , напряженностью поля E и подвижностью ионов k.

Для решения данной системы уравнений должно быть определено три граничных условия. Ими являются заданные значения потенциалов электродов:

- коронирующего ₁ = U;

- не коронирующего ₂ = 0.

Третье граничное условие формулируется следующим образом - производная потенциала у поверхности коронирующего электрода равна начальной напряженности независимо от интенсивности коронного разряда:

Последнее граничное условие соответствует расчетной схеме, когда зона ионизации у коронирующего электрода во внимание не принимается и ионы условно вводятся в промежуток непосредственно с поверхности коронирующего электрода. Количество поступающих ионов регулируется тем, что напряженность у поверхности коронирующего электрода должна поддерживаться на уровне начальной.

Качественное физическое обоснование граничного условия заключается в следующем. Если предположить, что напряженность поля у поверхности коронирующего электрода превосходит E₀, то это приводит к резкому возрастанию интенсивности ионизации и увеличению объемного заряда, внедряемого в промежуток. Рост объемного заряда в промежутке приводит к уменьшению напряженности поля у коронирующего электрода. Таким образом, подобная отрицательная обратная связь стабилизирует напряженность у коронирующего электрода на уровне начальной напряженности.

Непосредственные экспериментальные измерения напряженности поля у поверхности коронирующего электрода подтверждают, что она примерно соответствует начальной.

Наконец, доводом в пользу правомерности такого допущения является совпадение рассчитанных на его основе и экспериментальных распределений поля для простейших систем электродов.

Решение системы уравнений (1) - (4) для конкретной системы электродов, используемой в технической установке, определяет распределение напряженности поля Е и плотности объемного заряда р в рабочем объеме этой установки.

В систему уравнений в качестве параметра входит подвижность ионов k. Подвижность ионов определяется как скорость движения ионов в поле единичной напряженности и зависит от времени существования ионов. С течением времени подвижность ионов уменьшается за счет увеличения эквивалентной массы ионов в результате присоединения нейтральных молекул к первичному иону или электрону.

В диапазоне времен до 0,5 мс подвижности положительных и отрицательных ионов постоянны и составляют:

Старение ионов сказывается при t > 0,5 мс, но и в этом случае можно пользоваться некоторой средней величиной.

Простейшими, но широко используемыми в технологических установках электродами являются коаксиальные цилиндры.

Эта система состоит из заземленного цилиндрического электрода радиуса R, по оси которого располагается коронирующий электрод - провод радиуса r₀.

Используются также другие системы электродов, такие как «ряд проводов между заземленными плоскостями», системы с коронирующими электродами в виде игл и т. д. Только для системы «коаксиальные цилиндры» система уравнений (1) - (4) имеет аналитическое решение, т. к. задача является одномерной. Характеристики коронного разряда между коаксиальными цилиндрами. Коаксиальные цилиндры являются простейшей системой электродов, для которой уравнения (1) - (4) могут быть проинтегрированы аналитически. Принимая во внимание, что в цилиндрических координатах напряженность поля зависит только от текущего радиуса, уравнение (1) можно записать в виде:

(5)

Обозначив через А ток коронного разряда на единицу длины электрода, уравнение неразрывности (3) можно представить в виде: .

Отсюда, используя (4), можно получить:

(6)

После подстановки (6) в (5) последнее превращается в уравнение с разделяющимися переменными, которое легко интегрируется:

Таким образом:

(7)

При r >> r₀.

(8)

Для интенсивного коронного разряда, когда U >> U₀ (U₀ - начальное напряжение), второе слагаемое в (8) существенно меньше первого, и, следовательно:

(9)

Из (8) и (9) следует, что напряженность поля в значительной части промежутка между коаксиальными цилиндрами постоянна (рис. 1).

Рисунок 1:

В соответствии с (6) плотность объемного заряда изменяется по гиперболе. Различие в распределениях электростатического поля и поля при коронном разряде обусловлено действием объемного заряда, сосредоточенного в промежутке.

Для определения вольтамперной характеристики коронного разряда:

A = f * (U)

- используется условие:

При подстановке в это уравнение в уравнения (7) и его интегрирования после упрощений получается уравнение вольтамперной характеристики, которое записывается в обобщенном виде:

(10)

Где:

Для других систем электродов используются приближенные методы, например, метод Дейча - Попкова. Пример распределения напряженности поля при коронном разряде для системы «провод-плоскость» представлен на рис. 2.

Рисунок 2. - Распределение напряженности поля:

1. - электрического и 2. - при коронном разряде и плотности объемного заряда.

В отличии от «коаксиальных цилиндров» при коронном разряде напряженность поля возрастает по направлению к плоскости, а не остается постоянной. Такое распределение поля характерно и для других систем электродов с цилиндрическими коронирующими электродами. Вольтамперная характеристика и для других систем электродов может быть представлена в виде (10), но коэффициент G в этом случае имеет свой вид.

Начальные и пробивные напряжения промежутков при коронном разряде. Начальное напряжение или начальная напряженность поля коронного разряда, является важным параметром, который необходимо знать при выборе той или иной системы электродов применительно к конкретной технологической установке. Превышение напряжения над начальным определяет интенсивность коронного разряда, а значит уровень необходимых рабочих напряжений электрической - технологической установки. На практике удобно определять начальную напряженность промежутка между коаксиальными цилиндрами по эмпирической формуле Пика:

А начальное напряжение из выражения:

Начальное напряжение при положительной полярности электрода несколько больше, чем при отрицательной полярности. Объясняется это тем, что при развитии разряда с отрицательного электрода коэффициент вторичной ионизации больше, чем при положительной полярности электрода, поскольку в этом случае его значение определяется не только фотоионизацией в объеме, но еще и фотоионизацией на электроде.

Пробивные напряжения промежутков между электродами при коронном разряде определяют предельные напряженности поля, при которых еще могут работать технологические установки, использующие коронный разряд.

Пробой коронирующего промежутка происходит при напряжении, большем начального (рис. 3). Если разрядный промежуток несимметричный, т. е. его электроды имеют разные радиусы кривизны, то пробивное напряжение зависит от полярности электрода с меньшим радиусом кривизны: при отрицательной полярности оно существенно выше, чем при положительной полярности (рис. 4). Объясняется это тем, что при положительной полярности подвижные электроны легко уходят из зоны разряда на электрод, а оставшийся в промежутке положительный объемный заряд усиливает напряженность поля во внешней части промежутка, способствуя дальнейшему развитию разряда. При отрицательной полярности питающего напряжения, напротив, малоподвижный положительный объемный заряд уменьшает напряженность поля во внешней части промежутка, и для развития разряда требуется значительно большее напряжение.

Средние разрядные градиенты напряжения при положительной полярности стержня составляют 4,5 кВ/см, а при отрицательной примерно 10 кВ/см. Эти значения, в свою очередь, примерно в 3-5 раза меньше чем в однородном поле (24,530 кВ/см).

Рисунок 3:

Разрядные (2) и начальные (1) напряжения воздушного промежутка между коаксиальными цилиндрами (R = 10 см).

Рисунок 4:

ионизационный электрод униполярный

Разрядные напряжения воздушных промежутков стержень-плоскость при отрицательной (1) и положительной (2) полярностях постоянного напряжения питания стержня.

Размещено на Allbest.ru