Устройство для записи фаз развития волновых и токовых структур скользящего разряда

 

Изобретение относится к физическим средствам исследования газовых разрядов. Цель изобретения - повышение информативности за счет формирования высоковольтного импульса напряжения апериодической формы. Устройство содержит высоковольтный 1 и заземленный 2 электроды, расположенные на поверхности диэлектрической подложки 3, и оптическую систему 7 фоторегистрации, установленную над рабочей поверхностью подложки. При этом высоковольтный электрод через коммутатор 5 соединен с источником напряжения и с первым выводом емкостного накопителя 4 энергии, второй вывод которого подключен к заземленному электроду 2. Между высоковольтным и заземленным электродами подключен согласующий резистор 6, величина сопротивления R которого для незавершенной стадии разряда определяется соотношением , где L - индуктивность разрядного контура; C - емкость накопителя энергии; C_д - распределенная емкость диэлектрической подложки 3 с регистрирующим слоем, а для завершенной стадии разряда величина сопротивления R определяется соотношением - омическое сопротивление плазменных каналов. 1 ил.

Изобретение относится к физическим средствам для исследования газовых разрядов, а конкретно к устройствам для записи фаз развития поверхностных электроразрядных процессов, например скользящих разрядов, формируемых при электрическом пробое газа вблизи поверхности диэлектрика, и может быть использовано для получения и изучения пространственно-временных волновых и токовых структур скользящего разряда (СА). Развиваясь по поверхности раздела твердого и газообразного диэлектриков в резконеоднородном электрическом поле, когда другая сторона поверхности твердого диэлектрика малой толщины покрыта токопроводящим слоем, СР характеризуется многообразием и сложностью физических механизмов. Только в начальной стадии развития незавершенный СР проходит последовательно лавинную, стримерную и лидерную фазы, которые в завершенной стадии обеспечивают условия для замыкания промежутка сильноточным каналом.

Известны устройства для записи пространственно-временных токовых структур СР, содержащие высоковольтный и заземленный электроды, расположенные на поверхности диэлектрической подложки, а также импульсный источник питания на основе кабельного трансформатора и оптическую систему фоторегистрации над поверхностью подложки (Андреев С.И., Зобов Е.А., Сидоров А.Н. Метод управления развитием и формированием системы параллельных каналов скользящих искр в воздухе при атмосферном давлении. - ЖПМТФ, 1976, N 3, с. 12-17).

Недостатком этих устройств является невозможность записи волновых структур незавершенной фазы развития СР, поскольку импульс напряжения, формируемый с помощью кабельного трансформатора, имеет колебательную форму (с периодом несколько микросекунд), что обуславливает наложение и затушевывание начальных фаз разряда.

Известно также устройство для записи пространственно-временных волновых и токовых структур скользящего разряда, содержащее высоковольтный и заземленный электроды, расположенные на поверхности диэлектрической подложки, оптическую систему фоторегистрации, установленную над поверхностью подложки, емкостной накопитель энергии, коммутатор и индуктивность, подключенную параллельно разрядному промежутку [1].

Недостатком известного устройства является малая информативность процесса записи волновых структур, поскольку из-за колебательной формы импульса энерговклада в момент перехода через ноль на диэлектрической подложке формируется стадия обратного лидера, нейтрализующая поверхностный заряд, вынесенный предшествующими фазами развития разряда, и приводящая к повторным вспышкам излучения на подложке. Это не позволяет использовать для записи волновых структур другие высокоинформативные методы регистрации, например основанные на визуализации остаточных зарядовых и потенциальных рельефов (Журавлев О.А., Кислецов А.В., Кусочек А.П. и др. Электрографическая визуализация структуры фронта скользящего разряда. - Письма в ЖТФ, 1988, т. 14, N 21, с. 1933-1938; авт.св. N 1562833, кл. G 01 N 27/60, 1987). Колебательная форма импульса питания обусловлена наличием индуктивности L_з, подключенной параллельно разрядному промежутку и используемой для резонансной зарядки емкостного накопителя С. Значение L_з выбирается из условий: f=1/, L = U Δ t_т/I_g, где f - частота следования разрядных импульсов; U - их амплитуда; Δ t_т - время, требуемое для деионизации коммутатора (тиратрона); I_g - остаточный ток коммутатора (тиратрона).

Цель изобретения - повышение информативности за счет формирования высоковольтного импульса напряжения апериодической формы.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для записи фаз развития волновых и токовых структур скользящего разряда, содержащем высоковольтный и заземленный электроды, расположенные на поверхности диэлектрической подложки, и оптическую систему фоторегистрации, установленную над рабочей поверхностью подложки, при этом высоковольтный электрод через коммутатор соединен с источником напряжения и с первым выводом емкостного накопителя энергии, второй вывод которого подключен к заземленному электроду, между высоковольтным и заземленным электродами подключен согласующий резистор, величина сопротивления R которого для незавершенной стадии разряда определяется соотношением R>2, где L - индуктивность разрядного контура, С - емкость накопителя энергии, С_g - распределенная емкость диэлектрической подложки с регистрирующим слоем, а для завершенной стадии разряда величина сопротивления R определяется соотношением R>2R(R), где R_п - омическое сопротивление плазменных каналов.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство.

Устройство содержит высоковольтный 1 и заземленный 2 электроды, расположенные на поверхности диэлектрической подложки 3, емкостный накопитель энергии 4 и коммутатор (разрядник) 5. Параллельно разрядному промежутку подключен согласующий резистор 6, обеспечивающий апериодическую форму высоковольтного импульса напряжения. Над рабочей поверхностью подложки установлен оптический фоторегистратор 7 (фотоаппарат, телекамера, ПЗС-матрица).

Устройство работает следующим образом. На емкостном накопителе энергии 4 устанавливается величина зарядного напряжения -U_зар, не превышающая напряжения пробоя разрядного промежутка между высоковольтным 1 и заземленным 2 электродами. Это соответствует режиму исследования пространственно-временных структур незавершенного СР. После зарядки емкостного накопителя энергии 4 срабатывает разрядник 5 и на высоковольтном электроде 1 формируется импульс напряжения. Апериодическая форма импульса напряжения с замедленным экспоненциальным спадом обеспечивается выполнением соотношения R>2, где L - индуктивность разрядного контура; С - емкость накопителя энергии 4; R - сопротивление согласующего резистора 6. С_g ≈ ε ε_o S/d - распределенная емкость диэлектрической подложки 3; где ε - диэлектрическая проницаемость; ε_о = 8,85 ˙ 10^-12 Ф/м - диэлектрическая постоянная; d - толщина диэлектрика; S - площадь, занимаемая СР в незавершенной фазе.

В результате с высоковольтного электрода 1 в сторону заземленного электрода 2 по поверхности диэлектрика 3 развиваются токовые каналы незавершенного СР, проходящие последовательно ряд стадий (лавинную, стримерную и прямого лидера) и выносящие на подложку 3 заряженные частицы. Замедленный экспоненциальный спад импульса напряжения, а также высокоомный характер диэлектрической подложки 3 способствует длительному сохранению поверхностных зарядов, что позволяет получить контрастные электрографические структуры токовых каналов незавершенного СР.

При установке на емкостном накопителе энергии 4 зарядного напряжения, превышающего напряжение пробоя разрядного промежутка, реализуется режим исследования пространственно-временных структур завершенного СР. В этом случае апериодическая форма импульса напряжения обеспечивается выполнением соотношения R>2R/(R_п-2), где R_п ≃ l/π а²N σ - омическое сопротивление плазменных каналов; l - расстояние между электродами; а - средний радиус токового канала; N - число токовых каналов; σ - электропроводность плазмы в канале.

В обоих режимах предлагаемое устройство позволяет использовать осциллографические методы исследования вольт-амперных характеристик разряда, термооптическую запись токовых каналов (при использовании в качестве подложки ХСП-пленок), акустические и оптические методы регистрации газодинамических возмущений при развитии СР.

Использование предлагаемого устройства обеспечивает по сравнению с прототипом большую информативность, поскольку форма питающего разряда напряжения устраняет возможность нейтрализации зарядовых структур (обусловленных начальными фазами СР) и позволяет проводить их анализ, а также использовать комплекс методов диагностики, способствующих построению адекватной физической модели развития скользящего разряда.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПИСИ ФАЗ РАЗВИТИЯ ВОЛНОВЫХ И ТОКОВЫХ СТРУКТУР СКОЛЬЗЯЩЕГО РАЗРЯДА, содержащее высоковольтный и заземленный электроды, расположенные на поверхности диэлектрической подложки, и оптическую систему фоторегистрации, установленную над рабочей поверхностью подложки, при этом высоковольтный электрод через коммутатор соединен с источником напряжения и первым выводом емкостного накопителя энергии, второй вывод которого подключен к заземленному электроду, отличающееся тем, что, с целью повышения информативности путем формирования высоковольтного импульса напряжения апериодической формы, между высоковольтным и заземленным электродами подключен согласующий резистор, величина R сопротивления которого для незавершенной стадии разряда определяется соотношением где L - индуктивность разрядного контура;
C - емкость накопителя энергии;
C_д - распределенная емкость диэлектрической подложки с регистрирующим слоем,
а для завершенной стадии разряда величина R сопротивления определяется соотношением

где R_п - омическое сопротивление плазменных каналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1