Объёмный разряд

Проведем оценки по энергии,вводимой в объём плазменной области при объемном разряде. Предельно возможные плотности энергии вводимые при объемном разряде от 0,5 до 1,35 кДж/см3 или от 0,5 до 1,35 кДж/л, или от 11,2 до 30,24 кДж/(моль*л) за один импульс. При частоте следования импульсов f = 10 кГц за 1 с в объем плазмы будет введена плотность энергии, как минимум, W = 11,2-103 кДж/(моль-л) при максимально возможных плотностях. Эта величина существенно превышает необходимую энергию (по данным таблицы 1.2) для разрушения всех молекулярных связей всех молекул находящихся в заданном объеме газа. Т.е. за более продолжительное время работы источника (например, одну минуту) можно гарантированно разрушать молекулярные связи всех приведенных газов при максимальных плотностях ввода энергии.

Проведем оценки для любого импульсного источника питания объемного

разряда. Для упрощения рассмотрим случай, когда на электроды подается высоковольтный импульс прямоугольной формы. Стадия формирования разряда согласно,определяется начальной концентрацией электронов n₀

1.3

где t₀ - длительность фронта импульса, нc;

р - давление газа, Па.

Причем определено, что по n₀ > 10⁶см^-3, откуда видно, что если время фронта

недостаточно мало, то начальную концентрацию электронов можно поднять за

счет плавного поднятия напряжения.

Критерий зажигания объемного разряда получен из условия, что переход от ла­

винной ионизации к квазистримерному пробою происходит за время t_ф≤d/v_e.

1.4

Где ξ – средняя энергия электронов,эВ;

v_e, - дрейфовая скорость электрона, м/с;

е - заряд электрона, Кл;

а - коэффициент ударной ионизации;

Е - напряженность электрического поля, В/м;

d- длина межэлектродного промежутка, м.

Оценки показывают, что на стадии формирования плазменной области объ­

емного разряда выделение энергии будет не существенным по сравнению с ос­

новной стадией. После стадии формирования разряда ток в промежутке будет резко нарастать, а напряжение на электродах Uэ падать до некоторой квазипостоянной величины. Интересно, что, сколько бы высокое начальное напряжение U0 к промежутку не прикладывалось, величина Uэ практически мало меняется. Uэ определяется только параметрами промежутка (межэлектродным расстоянием d, площадью S, составом и давлением газа р). Это объясняется тем, что именно при Uэ ионизационные процессы становятся медленными, ток перестает нарастать и устанавливается квазистационарная фаза горения разряда. Если считать плазменный объем в разряде однородным, плотность энергии, вводимой в газ, легко определить как

1.5

где j - плотность тока, А/м2;

E - напряженность электрического поля в промежутках, В/м;

t_e - длительность разряда, мкс;

р - волновое сопротивление разрядного контура, Ом.

Для оценки плотности тока необходимо оценить однородность плазменного

столба, воспользовавшись критерием

1.6

где D_e, - коэффициент диффузии электронов;

n₀- критическая концентрация электронов, см"3;

n₀ - начальная концентрация электронов, см"3;

V - частота ионизации, кГц;

Те - электронная температура, К;

k- постоянная Больцмана, Дж-К".

При n₀ < n₀^â плазма состоит из множества диффузных нитей. При «n_0~ n₀^â»

увеличивается плотность нитей, и S_n- суммарная площадь микронитей будет

приближаться к активной площади электродов S_n. Это увеличивает предельную энергию, вводимую в разряд, но уменьшает удельную энергию, вводимую в объем. Для наших оценок в однородном плазменном столбе плотность тока j можно принять как j= I_m /S, где I_m - амплитуда тока в импульсе, А; S - площадь катода, м2.

Таким образом, из наших экспериментальных данных по зажиганию и под­

держке объемных стримерных разрядов для U_m = 25 кВ, I_t- 10 А, d=0,1 м,

S= 0,0314 м и длительности импульса t = 100 мкс получим объемную плотность энергии W= 19,1 кДж/м =0,0191 кДж/л за один импульс. При частоте следования

f= 10 кГц за 1 с выделится соответственно 428 кДж/(мольл), что соответствует,

согласно данным таблицы 1.2, энергии расщепления атомарных связей большинства газов. Таким образом, выбрав необходимое время обработки можно ввести необходимую энергию для обработки всего объема любого газа, заполняющего рабочую камеру.

Дата добавления: 2015-10-02