Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.chem.msu.ru/rus/vmgu/073/147.pdf Дата изменения: Tue Sep 25 17:28:04 2007 Дата индексирования: Tue Oct 2 11:24:24 2012 Кодировка: Windows-1251

ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2007. Т. 48. ? 3

147

УДК 541.13

ПРОБОЙ ГАЗОВОГО ПРОМЕЖУТКА В ПОВЕРХНОСТНОМ БАРЬЕРНОМ РАЗРЯДЕ
И.С. Ткаченко, В.И. Гибалов, В.В. Лунин (кафедра физической химии; e-mail: tcorporation@narod.ru)
C помощью численного моделирования исследованы процессы, происходящие в скользящем барьерном разряде в кислороде атмосферного давления. При моделировании предполагалось существование локального равновесия, и расчет динамики заряженных частиц в газовом промежутке проводили с помощью уравнений неразрывности. Конфигурацию электрического поля в разрядной зоне определяли интегрированием уравнения Пуассона. Обнаружено, что пробой газовой полости определяется фотопроцессами на поверхности катода. Появление и развитие канала микроразряда поддерживалось катодным слоем, который формировался у проводящего катода. Параметры катодного слоя, полученного в кислороде нормального давления, практически не отличались от распределений в нормальном катодном слое тлеющего разряда.

Введение Барьерный разряд любых конфигураций - уникальный плазмохимический реактор, позволяющий сравнительно просто реализовать в промышленных масштабах неравновесный химический синтез, в том числе и синтез озона [1]. Достаточно интенсивно изучали динамику процессов в барьерном разряде объемной и компланарной геомет рий [2-4]. Так называемый скользящий барьерный разряд был мало изучен. Исследования быстрых процессов над поверхностью диэлектрика [5-7] оставили ряд вопросов. Настоящая работа посвящена получению последовательных и максимально подробных данных о динамике процессов в барьерном разряде поверхностной геометрии, в том числе о кинетике синтеза озона. Постановка задачи Барьерный разряд возникает на поверхности диэлектрика разрядной ячейки, когда к высоковольтным
Высоковольтные электроды

элект р одам прикладывает ся высоко е напряжение (рис. 1). Высоковольтные элект роды могут иметь разную форму, их может быть любое количе ство. Разряд в такой системе развивается нормально к поверхности электродов, вдоль поверхности диэлектрика в виде тонких разрядных каналов - микроразрядов (рис. 2). Длина этих каналов зависит от приложенного напряжения, а толщина практически постоянна и составляет ~100 мк [2]. Поверхностный разряд исследовали экспериментально и теоретически [5-7]. В данной работе представлены результаты численного исследования поверхностного барьерного разряда в кислороде при атмосферном давлении. Численное моделирование разряда проводили в двумерном приближении в предположении существования локального равновесия. Система координат приведена на рис. 1. Динамика заряженных и нейтральных частиц в разрядной зоне описывается системой уравнений Больцмана. В условиях существования локального равновесия уравнения Больцмана преобразуются в систему уравнений неразрывности:
ni t div ( j i ) Si ,

Y

(1)
i

Диэлектрик Микроразряды Заземленный электрод

j

i

Di grad ( ni )

V

ni ,

(2)

X

Рис. 1. Разрядная ячейка поверхностного барьерного разряда

где ni , ji , Di , S i ,Vi - плотность заряженных частиц, плотность тока, коэффициент диффузии и источник, а т акже скоро сть i-й частицы. Под источником для каждой заряженной частицы понимаются интегралы, описывающие процессы ионизации, прилипания и отлипания частиц, а также их диссоциации. Математи-

2 ВМУ, химия, ? 3


148

.

.

-

.

. 2.

. 2007. . 48.

3

FCT-

[8]. : ,

. :
(4)

div E

1
0 i

i .

-
. 2. [5]

-

, . - . (1) (2) . , .

,

.

: ) ). , .

( ( ; (3): 8,4 2 , ; 3 , , . . [3].

-

-

-

n e Ve



n

V

ph ,

(3)

+ - , ph - , V+ , V - .

, , . .

. 3. , , . , [4]. . , . , . -

. , , . , , , : 1) ; 2) . , ,

-


ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2007. Т. 48. ? 3

149

Рис. 3. Начальное распределение напряженности электриче ского поля: а - вдоль поверхности диэлектрика; б - нормально к поверхности диэлектрика

разрядный импульс тока (рис. 4). На этом же графике нанесены эмиссионные токи, вызванные фото- и ионными процессами на поверхности катода. Как видно, появлению основного разрядного тока предшествует значительный фототок. Передний фронт разрядного тока составляет всего несколько наносекунд, а его полная длительность достигает 20-25 нс. Фотопроцессы играют определяющую роль в инициировании разрядных процессов. Исключение фотопроцессов из модели приводит к значительному (на порядок и более) затягиванию переднего фронта раз-

рядного тока, такому же увеличению его общей длительности и падению его амплитуды, что не соответствует экспериментальным данным [5, 6]. По мере нарастания разрядного тока роль фотопроцессов падает, в то же время появляется заметный эмиссионный ток, вызванный столкновениями положительных ионов с поверхностью катода. Изменение значимо сти эмиссионных проце ссов, как и нарастание разрядного тока, связано с перестройкой конфигурации электрического поля вблизи катода (рис. 5). Прежде всего напряженность поля

Рис. 4. Полный ток разряда (1), токи эмиссии, вызванные фотоэмиссией (2) и ионными процессами на поверхности катода (3) 3 ВМУ, химия, ? 3


150

ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2007. Т. 48. ? 3

Рис. 5. Формирование катодного слоя (t, нс): a - 15 ; б - 17

Рис. 6. Уширение катодного пятна на поверхно сти катода (t, нс): 1 - 1; 2 - 15,2; 3 - 15,5; 4 - 16; 5 - 17; 6 - 18,8

вблизи катода увеличивается примерно на 30%, достигая величины порядка 1500 Td, что видно из сравнения рис. 3 и 5. Кроме того, продольная сост авляющая напряженно сти элект риче ского поля "прижимается" к катоду. Одновременно с этим проце ссом наблюдается уширение области с высокой напряженностью поля вдоль поверхности катода - от поверхности диэлектрика к верхнему краю катода (рис. 6). Параметры катодного слоя поверхност-

ного барьерного разряда практически не отличаются от параметров нормального катодного слоя тлеющего разряда, т.е. за несколько наносекунд у катода формируется нормальный катодный слой. Изменение его поперечных размеров вдоль поверхности катода - процесс, известный как уширение катодного пятна. Уширение происходит одновременно с развитием переднего фронта разрядного тока. Вблизи максимума тока наблюдается стабилизация поперечного размера


ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2007. Т. 48. ? 3

151

катодного пятна, размер которого достигает примерно 40-60 мк (рис. 6). Продольная толщина катодного слоя составляет примерно 20-30 мк. Плотность тока на внешней границе катодного слоя достигает 250 А/см2. Все перечисленные параметры практически совпадают с параметрами нормального катодного слоя в кислороде при атмосферном давлении. Выводы В результате численного моделирования процессов в барьерном разряде поверхностной геометрии было установлено:

1) пробой газового промежутка начинается с резкого усиления фотопроцессов на поверхности катода; 2) увеличение вторичной эмиссии с поверхности электрода приводит к формированию катодного слоя; катодное пятно на поверхности проводящего электрода увеличивает свою площадь до тех пор, пока осевший на диэлектрическую поверхность заряд не останавливает этот процесс; 3) в развитом катодном слое роль фотопроцессов в дальнейшей динамике разряда уменьшается и замещается вторичной эмиссией электронов, вызванной ударами положительных ионов о поверхность катода.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.Н. // Физическая химия озона. М., 1998. С. 480. 2. Kogelschatz U. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2002. 30. Р. 1400. 3. Gibalov V.I., Pietsch G.J. // J. Phys. D: Appl.Phys. 2000. 33. Р. 2618. 4. Gibalov V.I., Pietsch G.J. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. 37. Р. 2093. 5. Saveliev A.B., Gibalov V.I., Pietsch G.J. //Proc. 14 ISPC. Prague, 1998. Р. 2343. 6. Kozlov M.V., Sokolova M.V. et al. // Plasmas and Polymers. 2003. 8. Р. 179. 7. Humpert C., Pietsch G. J. //Ozone: Sci. Engineering. 2005. 27. Р. 59. 8. Book D.L., Boris J.P., Hain K.J. // Comput. Phy. 1975. 20. Р. 248.
Поступила в редакцию 12.06.06

SPARK-OVER OF GAS GAP ON THE SURFACE BARRIER DISCHARGE
I.S. Tkachenko, V.I. Gibalov, V.V. Lunin (Division of Physical Chemistry)
The development of a discharge channel in barrier discharge with surface arrangements is investigated numerically. It is found that initial phase of discharge development is mainly determined by photoemission. The cathode layer, which appears at the negative electrode, becomes the source of secondary electrons caused by ion collisions with cathode surface. Parameters of the cathode layer are near to those of a normal glow discharge. The charge transfer as well as energy release and ozone production happens mainly in the conductive channel, which appears above the dielectric surface. It is found that specific energy consumption on ozone production is near the experimental value and is determined by field strength in the conductive channel, which is nearly constant and of about 70 to 100 Td.

4 ВМУ, химия, ? 3