автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.13, диссертация на тему:Исследование поверхностного разряда с целью повышения эффективности работы электротехнологических установок

Московский энергетический институт Р Г ? (Технический университет)

Б Од

/ и На правах рукописи

НТ '39*

КОЗЛОВ Максим Вадимович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО РАЗРЯДА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность 05.09.13 - Техника сильных электрических и

магнитных полей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (Техническом университете) на кафедре Техники и электрофизики высоких напряжений

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор ВЕРЕЩАГИН И.П.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук, профессор УЛЬЯНОВ К.Н.; кандидат технических наук, ст. науч. сотр. СИТНИКОВ В.ф.

Ведущая организация - Всероссийский научно-

исследовательский институт электроизоляционных материалов, г. Москва

Защита диссертации состоится 9 июня 1994 года в аудитории Д-5 в Ц час 30 мин на заседании Специализированного совета К.053.16.07. Московского энергетического института.

Адрес института: 105835 ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., Д.14, Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан "¿>" мая 1994 года.

Ученый секретарь

специализированного совета К.053.16.07 к.т.н., с.н.с.

ТАРАСОВА Т.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Высокие темпы научно-технического прогресса приводят к возникновению новых технологий, направленных на повышение производительности труда, охрану окружающей среды, ресурсосбережение и энергосбережение. К таким технологиям относится, в частности, использование сильных электрических полей и различных форм газового разряда.

В 1980-х годах появились данные, показывающие возможность применения в электротехнологических процессах, наряду с такими традиционными видами разряда, как коронный и барьерный, разряда по поверхности твердого диэлектрика.

На настоящий момент известны примеры применения поверхностного разряда (ПР) в генераторах озона, устройствах для зарядки аэрозолей, системах накачки газовых лазеров. Эти примеры показывают перспективность использования ПР в электротехнологических процессах и вызывают закономерный интерес к более глубокому исследованию данного направления. Очевидно, что систематизированные исследования позволят расширить уже известные области применения ПР и обосновать новые возможности его использования, имеющие полезный технологический эффект.

Рассмотрение данного вопроса требует исследования физических свойств ПР, которые определяют эффективность его использования в электротехнологии. Необходимо отметить, что в большинстве случаев в электротехнологических процессах используется ПР в начальных, незавершенных стадиях, благодаря наличию сильных градиентов электрического поля в активной зоне. В то же время, большинство известных научных работ по исследованию ПР рассматривают его развитые стадии, в частности, скользящий разряд, в основном в связи с необходимостью борьбы с ним в электроизоляционных конструкциях.

Таким образом, актуальной является задача повышения эффективности электротехнологических процессов, использующих ПР, на основе систематизированного исследования свойств ПР, определяющих полезный эффект данного вида разряда.

Представленная диссертационная работа является законченным исследованием, выполненным на кафедре ТЭВН

МЭИ в соответствии с программами Госкомобразования и Миннауки РФ.

Целью работы является: - определение свойств ПР, обуславливающих эффективность его применения в электротехнологии;

исследование физических свойств ПР, а именно, процессов в плазме, излучательной способности и способности к эмиссии заряженных частиц во внешнем поле;

выработка рекомендаций на основе проведенного исследования, позволяющих повысить эффективность работы электротехнологических установок.

Научная новизна работы

1. Определены свойства ПР, обуславливающие _— эффективность его применения в электротехнологических

процессах.

2. Установлено, что при использовании разрядного электрода в виде ряда параллельных эквипотенциальных полос создаются наиболее благоприятные условия для протекания электротехнологических процессов, характеризующиеся исследованием начальных форм разряда и наиболее равномерным заполнением каналами разрядной зоны. ПР в данном случае назван самоограниченным. Определены оптимальные параметры электродной системы.

3. Из условия соответствия расчетных и экспериментальных значений начального напряжения установлено правило

"" эквивалентного задания края разрядного электрода.

4. Предложена обобщенная трехмерная расчетная модель канала ПР и проведены оценки степени заполнения пространства зоной активной ионизации с учетом радиального расширения.

5. Показано, что основная доля излучения ПР лежит в области ближнего ультрафиолетового диапазона и соответствует характерным значениям энергии электронов для протекания реакций образования озона.

6. Предложена математическая модель процесса эмиссии заряженных частиц из плазмы ПР под действием внешнего поля и определены предельные значения тока эмиссии.

Практическая значимость

1. Произведен выбор керамики ВК-94-1 в качестве материала подложки системы электродов для использования в электротехнологических установках.

2. Разработаны и внедрены на практике рекомендации по конструкции, параметрам электродных систем и режимам питания генератора озона и активного нейтрализатора статического электричества на основе ПР.

3. Подтверждена на практике эффективность использования ПР для модификации поверхности полимерных материалов.

4. Создан комплекс экспериментальных стендов и отработаны методы экспериментальной регистрации характеристик ПР.

Внедрение научных результатов работы

Результаты работы внедрены в научно-производственных обществах "Мысль" и "ТИГР-К", в Учебно-научном центре "УНЦ МЭИ-ВЭИ" и использованы в учебном процессе кафедры ТЭВН МЭИ.

На защиту выносятся: - результаты исследований физических свойств ПР, определяющих эффективность использования данного вида электрического разряда в электротехнологических процессах;

- обоснование конфигурации и геометрических параметров электродной системы, способствующих созданию наиболее благоприятных условий для протекания электротехнологических процессов, а именно условий самоограниченного ПР;

- предложенное правило эквивалентного задания края разрядного электрода при проведении расчетов, обеспечивающее совпадение расчетных и экспериментальных значений начального напряжения;

- общие принципы построения расчетной модели канала ПР, позволяющие расчитывать значения напряженности поля во внешней зоне разряда и степень заполнения пространства зоной активной ионизации с учетом ее радиального расширения;

обоснование параметров математической модели процесса эмиссии заряженных частиц из плазмы ПР под действием внешнего поля, которая обеспечивает соответствие

ч

расчетных характеристик экспериментальным, показывающим высокую эмиссионную способность ПР;

- обоснование выбора керамики с высоким содержанием оксида алюминия типа ВК-94-1 для использования в качестве подложки системы электродов в электротехнологических установках с ПР;

- рекомендации по повышению эффективности работы генераторов озона и активных нейтрализаторов статического электричества на основе ПР, основанные на использовании результатов исследования физических свойств ПР;

обоснование эффективности применения ПР для модификации поверхности полимерных материалов.

Апробация работы'.Материалы работы докладывались и обсуждались на:

- IV Всесоюзной конференции "Применение электронно-ионной технологии в народном хозяйстве" (Москва, МЭИ,

1991);

- заседании секции РАИ по новым электротехнологиям (Москва, 1993);

- конференции Японского института электростатики (Токио,

1992);

- конференции Электротехнического факультета универститета г.Кошице (ЧСФР, 1992);

- XX конференции молодых ученых и специалистов ВЭИ им.В.И.Ленина (Москва, 1988);

- научных семинарах кафедры ТЭВН МЭИ (Москва, 1988, 1993).

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, выпущено 6 научно-исследовательских отчетов, получено 2 авторских свидетельства и 1 положительное решение на патент РФ.

Объем и структура работы

Диссертация общим объемом стр. состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (85 наименований), содержит 128 стр. основного текста, 77 рисунков, 3 таблицы и 1 приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В перпой главе дан обзор современного состояния и исторического аспекта вопроса.

Первые работы, посвященные изучению возможностей применения ПР в электротехнологии относятся к 1970-80-м годам. В это время начался новый этап в исследовании явления ПР, когда усилия ученых стали направлены не только на борьбу с его вредными проявлениями в электроизоляционных конструкциях, но и на изучение полезного эффекта ПР в различных технологических процессах, В настоящее известны примеры применения ПР в генераторах озона, устройствах для зарядки диспергированных материалов, системах накачки газовых лазеров, установках для химического воздействия на органические материалы.

Среди известных работ следует особо выделить труды проф. С. Масюды (Япония), который отметил ряд возможностей технологического использования ПР и для отдельных режимов получил экспериментальные данные по характеристикам импульса тока микроразряда ПР и вольт-амперные характеристики для эмиссии носителей заряда из зоны ПР в промежуток с внешним полем. На настоящий момент наибольшее распространение получили устройства для зарядки аэрозолей типа Boxer-Charger. Сравнение с наиболее эффективными конструкциями на основе коронного разряда показывает, что использование ПР позволяет реализовывать более высокие средние напряженности в промежутке (10 - 12 кВ/см) и добиваться высоких значений плотности ионного тока (0,1 - 0,15 А/м ). Известны также конструкции озонаторов на основе ПР, в которых удавалось достигать эффективности генерации озона, сопоставимой с традиционными конструкциями на барьерном разряде.

Итак, из анализа литературных данных следует, что применение ПР в электротехнологии является перспективным направлением. Однако, на настоящий момент оно нуждается в более детальной проработке. Очевидно, систематизированное исследование позволит расширить уже известные возможности использования ПР, обосновать новые области его применения в электротехнологических процессах. Рассмотрение данного вопроса требует исследования физических свойств ПР, которые определяют эффективность его использования.

В электротехнологических установках применяются системы электродов с преобладанием нормальной к поверхности диэлектрика составляющей напряженности электрического поля. Имеется достаточно большое количество работ, посвященных экспериментальному и теоретическому исследованию ПР, в частности, труды М. Теплера, 3. Ларигалди, П. Н. Дашука, С.И. Андреева. Большой вклад в изучение разряда по поверхности твердого диэлектрика внесли работы кафедры ТЭВН МЭИ. Большинство из них рассматривают развитые стадии ПР, в частности, скользящий разряд, в то время, как с точки зрения электротехнологического применения наибольший интерес' представляют начальные, незавершенные стадии. Тем не менее, известный экспериментальный и аналитический материал составляет основу при формировании подхода к исследованию свойств ПР в данной работе.

Во второй главе производится обобщенное описание объекта исследования, выбор методов экспериментального — исследования свойств ПР и описание использованных экспериментальных стендов.

Объект исследования представляет собой пластину из твердого диэлектрика, на одной стороне которого расположен плоский электрод. На противоположной стороне располагается разрядный электрод, который может иметь различные размеры и конфигурацию, однако во всех случаях распределение напряженности электрического поля отличается преобладанием нормальной к поверхности диэлектрика составляющей. Разрядный электрод наносится на поверхность диэлектрика методом вжигания, таким образом, металл " ~ частично диффундирует в диэлектрик.

Для проведения исследований был создан комплекс экспериментальных стендов. Для оптических наблюдений разряда использовалось семейство электронно-оптических преобразователей (ЭОП) - усилителей яркости лабораторного изготовления. Они позволяли получать и регистрировать на фотопленке четкое изображение ПР для любого участка спектра излучения в диапазоне длин волн от 200 до 1500 нм и при увеличении до 10 крат. При наблюдениях относительной интенсивности излучения ПР применялся фотоэлектронный умножитель ФЭУ-39А. Для регистрации тока микроразрядов ПР применялся специально изготовленный коаксиальный

клеточный шунт с постоянной времени нарастания переходной характеристики 1 не.

С целью обеспечения возможности исследований ПР в различных диапазонах значений крутизны приложенного напряжения в составе установок работали несколько генераторов высоковольтных импульсов миллисекундной, микросекундной и наносекундной длительности. Генератор наносекундных импульсов - на формирующих линиях, с синхронизированным запуском разрядника от лазерного излучения.

Для исследований эмиссионной способности ПР была создана экспериментальная установка, обеспечивающая значения напряженности постоянного внешнего поля до 20 кВ/см.

Таким образом, созданные экспериментальные стенды предоставили обширные возможности исследования свойств ПР в различных условиях и накопления значительного объема экспериментальных данных.

Далее в работе последовательно рассматриваются физические свойства ПР, важные для электротехнологии. Это составляет основную часть диссертации.

Третья гласа посвящена анализу процессов в плазме ПР, которые способствуют созданию благоприятных условий для электротехнологических процессов.

Прежде, чем приступить к рассмотрению свойств ПР, необходимо призвести выбор наиболее подходящего диэлектрического материала или класса материалов для использования в качестве подложки в системах электродов с ПР.

Проведенный сопоставительный анализ различных диэлектрических материалов .(полимерных, керамических, различных видов стекол) на основе их электрических, механических и тепловых характеристик позволил сделать вывод, что наиболее предпочтительным материалом для использования в установках с ПР является керамика с высоким содержанием оксида алюминия А^Оз, типичными представителями которой являются ВК-94-1, ВК-91 и Поликор. Эти материалы не отличаются какими-либо сверхвысокими показателями, однако сочетание относительно высокой диэлектрической проницаемости (в=9,1 - 9,9), высоких значений удельного объемного и поверхностного

сопротивления (ру=1014-1015 Ом*м, р5=(1 - 2)*1015 Ом), высокой электрической прочности, составляющей 50 - 54 кВ/мм, низкого 1д5=(5- 10)*10'5, а также высокой теплопроводности и механической прочности легло в основу сделанного выбора. В дальнейшем все результаты изложены применительно к названным типам керамики.

Далее в работе рассмотрены процессы в плазме ПР. Поскольку в электротехнологии требуется наличие сильных электрических полей, а в плазме наиболее сильные градиенты поля имеют место у неразогретых областей, соответствующих начальным формам разряда, требуется определить границы существования таких форм. Электротехнологические процессы протекают в объеме, поэтому для обеспечения наиболее эффективного взаимодействия плазмы разряда с окружающей средой нужно полностью использовать всю поверхность диэлектрика, то есть требуется создать равномерно распределенную зону разряда. Таким образом, необходимо исследовать структуру разрядной зоны и влияющие на нее факторы. Внедренный в промежуток заряд и его пространственное распределение также характеризуют степень заполнения пространства зоной активной ионизации. Эта информация может быть получена из расчетов, основанных на данных о токе каналов ПР, поэтому требуется также регистрировать ток разряда.

Итак, важно определить условия сущестовования начальных форм ПР. Расчетным и экспериментальным путем определены условия возникновения разряда. При проведении расчетов использовался вычислительный алгоритм и соответствующая программа оценки выполнения условия самостоятельности разряда, для которой разработана двухмерная расчетная модель. Предложен эквивалентный профиль задания края разрядного электрода, обеспечивающий совпадение расчетных и экспериментально определенных значений начального напряжения ПР. Данный профиль учитывает реальные условия технологии нанесения металлического электрода на поверхность керамики, отличается отсутствием особых расчетных точек. Определена зависимость напряжения возникновения ПР от толщины керамики и от полярности приложенного напряжения. Расчетным и экспериментальным путем показано, что микровыступы на поверхности разрядного электрода не оказывают заметного влияния на условия возникновения ПР.

При исследованиях структуры разрядной зоны ПР основной задачей было найти условия формирования наиболее равномерно распределенного в пространстве слоя плазмы.

При использовании разрядного электрода в виде одиночной полосы на диэлектрике имели место отдельные яркие, относительно длинные, неравномерно расположенные каналы (рис.1). Проведенный анализ различных геометрических конфигураций разрядного электрода показал, что на разрядном электроде в виде ряда параллельных эквипотенциальных полос развитие разряда в направлении, перпендикулярном электроду, тормозится и, вместе с тем, интенсифицируется параллельное развитие каналов разряда с кромки электрода (рис.2).

В силу отмеченных особенностей предлагается назвать такую разновидность разряда самоограниченным ПР. В данном случае отдельные длинные каналы, характерные для разряда с электрода в виде одиночной полосы, не наблюдаются, и активная зона более равномерно заполнена каналами примерно одинаковой яркости. С ростом приложенного напряжения длина каналов не увеличивается, в то же время, возрастает число каналов на единицу длины электрода. Плотность расположения каналов разряда на поверхности керамики при самоограниченном ПР может в три раза превышать аналогичный параметр для разряда с одиночной полосы.

Еще более равномерное заполнение пространства плазмой и однородная структура разрядной зоны достигались при увеличении крутизны прикладываемого напряжения, в частности, при питании высоковольтными импульсами наносекундной длительности.

Исследования структуры разрядной зоны ПР при помощи ЭОП на различных материалах керамики показали, что на Поликоре каналы обладают несколько большей яркостью и более редко расположены, чем на керамике типа ВК.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования структуры разрядной зоны ПР позволили выявить геометрию разрядного электрода, режимы питания и материал керамики, при которых создаются наиболее благоприятные условия для формирования однородной области, плотно заполненной плазмой, что определяет возможность интенсивного протекания взаимодействия плазмы с окружающей средой при электротехнологических процессах.

Тт / А 2,0

1,5 1,0 9,5

0

О

ПХ , нКл 2,5

2,0 1,5 "1,0 0,5 О -

О

Рис.3

4

Рис.4

у I

I

1 2 2

одиночной полосы -разрядный электрод в ви; ряда параллельных полос

ГО

Цп.кВ

у/

у/

Л у,

у/ 1

У 3

I-экспериментальная кривая

для полного импульса тока ?,-то же для фронтов импульсов

3-расчетная кривая для радиуса канала 150 мкм

4-то же для радиуса 2 мм

10

ит ,кВ

Одной из задач при исследованиях свойств ПР является регистрация тока ПР. Информация о величине и характере тока позволяет расчитать выносимый в промежуток заряд и его пространственное распределение. Это является общей проблемой при исследованиях электрического разряда, в то же время, она важна для электротехнологии, так как характеризует степень заполнения пространства зоной активного взаимодействия плазмы со средой.

ПР существует в форме серий коротких импульсов микроразрядов наносекундной длительности, распределенных на кривой тока смещения. Были экспериментально зарегистрированы параметры единичных импульсов тока микроразрядов в различных условиях. Самоограниченный ПР обладает интересной особенностью: амплитуда и длительность импульсов тока остается постоянной в широком диапазоне значений кратности перенапряжения (к=1,2 - 4,0). В то же время, при разрядном электроде в виде одиночной полосы, как и следовало ожидать, амплитуда импульсов тока растет при увеличении амплитуды приложенного напряжения (рис.3). Проведенные оценки числа электронов в канале микроразрпда микроразрядов проведены оценочные расчеты распределения напряженности электрического поля ПР и внедренного в промежуток заряда. Использовалась цилиндрическая модель канала с варьируемой продольной проводимостью. Поскольку поле в рассматриваемой системе электродов не является плоско-параллельным, использован вычислительный пакет, позволяющий расчитывать трехмерные поля. Результаты вычислений показали, что если на этапе формирования канала и его развития вглубь промежутка заряд сосредоточен в-основном в узкой зоне радиусом порядка 250 мкм, обладающей высокой проводимостью, то в последующем за счет наличия высоких значений напряженности поля в перпендикулярном каналу направлении зона активной ионизации расширяется вплоть до радиуса 2 мм (рис.4). Таким образом, радиус зоны активной ионизации определяет расстояние между каналами ПР.

Итак, рассмотрены процессы в плазме ПР, важные для его применения в электротехнологии.

В четвертой главе рассмотрена излучательная способность ПР.

Для многих технологических процессов требуется получение интенсивного УФ-излучения. С другой стороны, наличие инфракрасной составляющей, говорящей о тепловыделении в разряде, часто нежелательно.

Задачей данной работы являлось определение характера > спектральных диапазонов и относительной интенсивности излучения ПР и влияющих на них факторов. Наблюдения спектрального состава излучения ПР показали, что основная доля его энергии приходится как раз на область ближнего УФ (рис.5). Примечательно, что соответствующие значения энергии электронов составляют 4 - 6 эВ, что является характерным диапазоном для протекания реакций, приводящих к образованию озона. Самоограниченный ПР отличается тем, что при расстояниях между полосами электрода не более 4 мм ИК-составляющая в спектре излучения отсутствует даже при высоких значениях приложенного напряжения. В то же время, на электроде в виде одиночной полосы разогрев канала регистрировался уже при небольшом превышении напряжения над начальным. Этот результат позволяет определить верхнюю границу существования начальных форм ПР. Таким образом, путем применения различных геометрических конфигураций разрядного электрода можно регулировать спектральный состав излучения ПР.

На основании анализа экспериментальных данных сделан вывод, что материал подложки не влияет на спектральный состав излучения ПР, но оказывает влияние на его интенсивность: так, на ВК-94-1 разряд во всех наблюдаемых диапазонах спектра был в 1,5 - 2 раза более интенсивен, чем на Поликоре.

Пятая глава посвящена анализу способности ПР к эмиссии заряженных частиц во внешнюю зону под действием вытягивающего поля.

Для эффективного протекания электротехнологических процессов требуется наличие высоких значений концентрации носителей заряда у поверхности эмиттера и создание условий для их интенсивной эмиссии во внешнем поле.

Разработана математическая модель процесса эмиссии заряженных частиц из плазмы ПР, включающая уравнение Пуассона и уравнение неразрывности для потока заряженных частиц. В результате решения системы этих уравнений получено выражение для распределения напряженности поля и

60

<о

20

1.Х

и,

А,"

200 250

100

150

400

450

500

Рис. 5

3 ,А/м 0,25

0,20 0,15 0,10 0,05 0

5/(

//у

А ' /ъ

4 И У

О

4 6 Рис .6

1-теоретическая кривая для уменьшенного промежутка

2-наивысшая экспериментальная кривая

3-теоретическая кривая для полного промежутка

10

Еср , кВ/см

8

концентрации заряженных частиц. Определены параметры предельного режима, соответствующего наибольшей концентрации заряженных частиц. Получено уравнение вольта-амперной характеристики для предельного режима.

Проведенное в работе сопоставление теоретических предельных и экспериментальных вольт-амперных характеристик указанной системы показывает, что если "предполагать что плазменный слой на эмиттере является бесконечно тонким, то в реальных условиях можно достичь предельных параметров и даже несколько превысить их. Данный факт объясняется тем, что при высоких амплитуде и частоте напряжения ПР толщина плазменного слоя, прилегающего к эмиттеру, растет с ростом вытягивающего поля, и таким образом фактическая длина промежутка уменьшается (рис.6). Таким образом, определены условия соответствия между моделью и реальным процессом.

На основании экспериментальных данных, а также результатов экспериментального определения характеристик ПР, изложенных выше, получена эмпирическая формула вольт-амперной характеристики системы "эмиттер-плоскость", позволяющая оценить эмиссионную способность ПР.

Итак, показана высокая способность ПР к эмиссии заряженных частиц во внешнем поле.

В шестой главе на основе проведенных исследований физических свойств ПР, определяющих эффективность его использования в электротехнологии, рассматриваются возможности и пути совершенствования различных электротехнологических процессов и предлагаются практические рекомендации по повышению их эффективности.

Например, полученные данные о свойствах плазмы и излучательной способности ПР были использованы при разработке конструкции генераторов озона, по которым получено положительное решение на патент РФ. Так, на основе данных о различиях свойств ПР на различных материалах керамики рекомендуется использовать в качестве подложки керамику ВК-94-1. Информация о структуре разрядной зоны и спектральном составе излучения ПР свидетельствует о преимуществах разрядного электрода в виде ряда параллельных эквипотенциальных полос с расстоянием между ними 4 мм. Питание переменным -или импульсным напряжением с высокой крутизной также рекомендуется, так

как в данном случае достигается наиболее равномерное заполнение пространства разрядом, слабое тепловыделение в каналах и, следовательно, наиболее эффективный режим генерации озона.

На основе исследования эмиссии заряженных частиц из плазмы ПР во внешнем поле была разработана конструкция и режимы работы активного нейтрализатора зарядов статического электричества, позволяющие достигать эффективности снятия поверхностного заряда не ниже 95% на расстоянии до 15 см при высоких плотностях поверхностного заряда на нейтрализуемом материале. В то же время выделение озона не превышает предельно допустимой концентрации.

Те же данные иллюстрируют большие возможности использования ПР в устройствах для зарядки аэрозолей. В работе показано, что в системе электродов "эмиттер-плоскость" достигается плотность тока ионов до 0,25 А/м2, что в два-три раза превышает соответствующее значение для систем коронирующих электродов, используемых в аппаратах электронно-ионной технологии.

Полученные сведения о свойствах ПР позволили предположить возможность его использования для модификации полимерных материалов. Действительно, адгезионная способность полиэтиленовой,

политетрафторэтиленовой и полиимидной пленки после обработки резко возрастала и сохранялась в течение нескольких часов. Необходимо отметить, что полиимид из широко известных полимеров наиболее устойчив к воздействию электрического разряда. По применению процессов модификации в ПР получено два авторских свидетельства.

ВЫВОДЫ

1. Определено, что возможности технологического применения ПР связаны с его свойствами:

-как плазменного нестационарного образования, представляющего собой источник энергетически активных частиц и радикалов;

- как источника излучения;

- как источника потока ионов, вытягиваемых внешним полем.

2. Установлено, что эффективное использование ПР, как генератора активных частиц и радикалов связано с

использованием начальных стадий разряда,

характеризующимися высокими значениями напряженности электрического поля и отсутствием интенсивной термоионизации, а также с равномерным заполнением каналами разрядной зоны. Для этих условий используется так называемый самоограниченный ПР.

3. На основании исследования структуры разрядной зоны ПР с использованием ЭОП в широком диапазоне изменения конфигурации и геометрических размеров электродной системы определены оптимальные параметры электродной системы, соответствующие условиям самоограниченного разряда. Разрядный электрод состоит из ряда параллельных эквипотенциальных полос с расстоянием между полосами 4 мм, а противоположный электрод представляет собой плоскость.

4. Расчетным и экспериментальным путем определены условия возникновения ПР; предложена двухмерная расчетная модель и найдено правило эквивалентного задания кромки разрядного электрода, обеспечивающее совпадение расчетных значений начального напряжения с определенными экспериментально.

5. Предложена обобщенная расчетная модель канала ПР, которая позволяет определить значения напряженности поля в трехмерной системе, внедренный в промежуток заряд и на основе этих данных рассчитывать степень заполнения пространства зоной активной ионизации с учетом радиального расширения. Расчетным путем показано, что в результате радиального расширения радиус активной зоны может достигать значения 2 мм.

6. Исследования спектрального состава излучения ПР показали, что его основная доля лежит в области ближнего ультрафиолетового диапазона и соответствует значениям энергии электронов, при которых протекает реакция диссоциации кислорода. Изменение параметров электродной системы и диэлектрического материала дает возможность регулировать спектральный состав и интенсивность излучения ПР.

7. В результате анализа различных диэлектрических материалов с учетом совокупности электрических, механических и тепловых характеристик произведен выбор керамики с высоким содержанием оксида алюминия для использования в качестве подложки в системах электродов с

ПР в электротехнологических установках. Среди данного класса материалов наилучшим является ВК-94-1.

8. Теоретически и экспериментально исследован процесс эмиссии заряженных частиц из плазмы ПР под действием внешнего поля. Определены параметры математической модели, при которых расчетные и экспериментальные характеристики совпадают. Показана высокая эмиссионная способность ПР. Значения плотности тока во внешней цепи могут в 2 - 3 раза превышать значения плотности тока, достигаемые при униполярном коронном разряде.

9. Для исследований свойств ПР изготовлен комплекс экспериментальных стендов, предоставляющий широкие экспериментальные возможности, благодаря наличию:

- ряда генераторов высоковольтных импульсов в диапазоне длительности от миллисекунд до единиц наносекунд; возможности регистрации малых токов наносекундной длительности;

-набора электронно-оптических преобразователей,'

позволяющих получать четкое изображение ПР в различных диапазонах спектра и в различном масштабе.

10. На основе результатов исследования свойств ПР выработаны и реализованы на практике рекомендации по повышению эффективности работы электротехнологических установок (генераторы озона, устройства для зарядки аэрозолей), а также обоснованы новые возможности использования ПР (нейтрализация зарядов статического электричества, модификация поверхности полимерных материалов) и созданы соответствующие установки.

Публикации по теме диссертации

1. Бутко М.П., Громовой В.Б., Жуков В.А., Калинин A.B., Козлов М.В., Панюшкин В.В., Шебаева Н.Л. Применение озонирования для стерилизации ветеринарного инструмента // Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции "Применение электронно-ионной технологии в народном хозяйстве", М., МЭИ, 1991, с.88-89.

2. Верещагин И.П., Громовой В.Б., Жуков В.А., Калинин A.B., Козлов М.В., Панюшкин В.В. Исследование высокочастотного поверхностного разряда с целью разработки малогабаритных генераторов озона // Тезисы докладов II Всесоюзной конференции "Озон: производство и применение", М., МГУ, 1991, с.37-38.

3. Верещагин И.П., Громовой В.Б., Калинин A.B., Козлов М.В., Тихонов A.B. Вольт-амперные характеристики внешней зоны выокочастотного поверхностного разряда // Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции "Применение электронно-ионной технологии в народном хозяйстве", М., МЭИ, 1991, с.155-156.

4. Верещагин И.П., Жуликов С.С., Калинин A.B., Капралов В.А., Козлов М.В., Максимов Б.К., Тихонов A.B. Активный нейтрализатор статического электричества с металло-керамическим электродом // Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции "Применение электронно-ионной технологии в народном хозяйстве", М., МЭИ, 1991, с.135.

5. Громовой В.Б., Жуков В.А., Калинин A.B., Козлов М.В., Панюшкин В.В. Разработка малогабаритного озонатора на высокочастотном поверхностном разряде // Тезисы докладов Украинской конференции "Региональные экологические проблемы и пути их решения", Черкассы, 1990, с.65.

6. Калинин A.B., Козлов М.В., Панюшкин В.В. Экспериментальное исследование характеристик высокочастотного поверхностного разряда // Известия РАН. Энергетика, 4, 1993, с.45 - 51.

7. Калинин A.B., Козлов М.В., Панюшкин В.В., Верещагин И.П., Воронков Е.П. Оптические наблюдения поверхностного разряда // Сб.докладов 6 Конференции по электротехнике, Кошице (ЧССР), 1992, с. 1-6 (на англ. языке).

8. Верещагин И.П., Жуков В.А., Громовой В.Б., Калинин A.B., Козлов М.В., Панюшкин В.В. Сравнение методов измерения активной мощности поверхностного разряда // Сб.докладов Ежегодной конференции Института электростатики, Япония, Токио, 1992, с.35-44 (на англ. языке).

9. Способ обработки поверхности полимерных материалов. A.c. 1603672 СССР, С 01В // Верещагин И.П., Догадин Г.С., Жуков В.А., Калинин A.B., Козлов М.В. (СССР), Зс.:ил.

10. Устройство для обработки поверхности полимерных материалов электрическим разрядом. A.c. 1576348 СССР, С01В // Стебунов А.Ф., Калинин A.B., Жуков В.А., Догадин Г.С., Козлов М.В., Филатов H.H. (СССР), Зс.:ил.

Подписано в печать $.05.94. In.л. Тираж 100 экз. Бесплатно