ПОВЕРХНОСТНЫЙ И ОБЪЕМНЫЙ ИСТОЧНИК ЗАРЯДОВ ОДНОГО ЗНАКА Российский патент 1997 года по МПК H01J17/00 

Изобретение относится к области электрического воздействия на среду и может быть использовано в качестве источников свободных зарядов в электрохимических и электротехнических процессах и устройствах.

Известны способы электрического воздействия на среду с использованием металлических электродов, помещаемых в ее объем с целью пропускания электрического тока между электродами. Ионизация среды первичными электронами, эмиттируемыми поверхностью электрода с отрицательным потенциалом (катодом), вызывает в последующем размножение электронов и появление зарядов положительного знака (ионов) с установлением равенства между ионным током на катод и электронным током на анод [1-3]
Недостатками электрического воздействия на среду с помощью металлических электродов, погруженных в нее, являются, во-первых, разогрев и разрушение электрода под действием ударов уходящих на них зарядов. Попадая в среду, материал электродов изменяет (загрязняет) ее состав или, смещаясь в качестве ионов противоположного знака, вновь осаждается на поверхности электродов, изменяя (ухудшая) эмиттирующие свойства их поверхности. Во-вторых, ток электрических зарядов, проходя через объем среды, разогревает ее (особенно вблизи электродов), что приводит к нарушению температурной однородности объема среды, к возможности термической ионизации компонента среды и к локальным нарушениям ее процентного состава. Кроме того, размножение зарядов в газовой среде и усиление межэлектродного тока может привести к сужению (шнурованию, контрастированию) токового канала и уменьшению в результате этого объема, в котором происходит взаимодействие зарядов со средой. Одновременно с этим уменьшается и площадь участков поверхностей электродов (например, анодных и катодных пятен), через которые заряды вводятся или выводятся из среды. Из-за взаимной компенсации зарядов противоположного знака в объеме разряда какие-либо свободные заряды и их поля за пределами внешней поверхности стенок объемов двухэлектродных разрядов отсутствуют.

Известен также и безэлектродный ввод электрической энергии в газовую среду, при котором объемным источником электрических зарядов одного знака становится область разреженного газа под площадью внешнего электрода-покрытия (ЭП), размещенного на наружной поверхности стеклянной стенки объема. На ЭП в этом случае поступают униполярные импульсы высоковольтного потенциала. За длительность одного импульса в объеме газа вблизи ЭП последовательно формируются свободные объемные заряды (СОЗ'ы), знак которых совпадает со знаком высоковольтных импульсов. Поля движущихся по объему разреженного газа СОЗ'ов вызывают возбуждение и ионизацию его атомов, обеспечивая тем самым возможность наблюдения разряда униполярного пробоя газа (УПГ) [4,5] Существование УПГ в длинных (≥5м) трубках теоретически не было очевидно и обнаружено было только в экспериментах, в которых были выявлены и другие необычные свойства разряда УПГ, такие как свойство объема разряда УПГ быть источником большой величины импульсных электрических полей [5] и возможность использования подобного свойства разряда УПГ в технологических цепях.

Однако свойство объема разряда УПГ быть источником импульсных полей не является единственным свойством этого разряда, которое можно использовать в различных технологических цепях, особенно в тех электрохимических и электротехнических процессах, в которых требуется присутствие свободных, не связанных с межэлектродными полями электрических зарядов.

Целью изобретения является получение объемного источника свободных зарядов одного знака, обеспечивающего возможность их взаимодействия через слой диэлектрика с большими объемами газовых и жидких сред при устранении возможности их загрязнения и изменения температуры среды при движении в ее объеме зарядов протиповоложного знака.

Указанная цель достигается применением объема известного разряда УПГ в качестве объемного источника свободных зарядов одного знака, вводимых в газовые или жидкие среды через диэлектрическую стенку объема разряда. Применение для подобной цели наружной поверхности всего объема разряда в известных способах и приемах ввода электрической энергии и зарядов в различные среды не осуществлялось и является для предлагаемого применения "существенным отличием". Использование свойства свободных зарядов разряда УПГ туннелировать через диэлектрическую стенку объема разряда в окружающую его среду без изменения ее температуры и состава представляет собой новизну заявляемого применения.

При практическом применении разрядных процессов в различных (например, технологических) целях возбуждение разряда (или движение зарядов) обычно осуществляется непосредственно в объеме взаимодействующих с зарядами газовой или жидкой средах с последующим использованием (или исследованием) результатов подобного взаимодействия. Устанавливающаяся в разрядной зоне таких процессов взаимная компенсация зарядов противоположного знака исключала возможность их пребывания в свободном, не связанном друг с другом состоянии и, как следствие, исключала возможность существования каких-либо полей за пределами объема разрядов. В отличие от остальных типов разрядов в разряде УПГ первичными носителями зарядов являются не единичные заряды отрицательного знака электроны, обычно эмиттируемые поверхностью катода, а, как показывают предварительные исследования [4] ими являются заряженные области пространства, для которых выполняется условие неразрывности заряда и которые периодически формируются в объеме разреженного газа вблизи внешнего электрода-покрытия (ЭП). При этом противоположное направление тока в цепи импульсный источник (ИИ)-ЭП, а также эксперименты с введением электрических зондов непосредственно в объем разряда УПГ [3] однозначно устанавливают, что области отрицательного заряда возникают в объеме газа вблизи ЭП в том случае, если на ЭП поступают импульсы потенциала отрицательной полярности. При противоположной (положительной) полярности импульсов такой же заряд несут и заряженные области в объеме газа возле ЭП, появлению которых соответствует движение электронов во внешней цепи в противоположном направлении, т.е. ЭП-ИИ. Таким образом, эксперимент показывает, что появление пространственно локализованных заряженных областей вблизи ЭП является следствием движения электронов (их тока) в цепи ИИ-ЭП-ИИ. Последующее появление в разряде УПГ единичных зарядов-электронов и ионов является следствием воздействия на атомы газа полей локально заряженных областей пространства, т.е. появление электронов и ионов в разряде УПГ вторично относительно первичного момента появления вблизи ЭП пространственно локализованных областей с одним знаком заряда.

В первых экспериментах с УПГ [3,4] наличие у объема разряда УПГ свойства быть источником свободных зарядов не предполагалось и в силу этого не исследовалось; оно было обнаружено в последующих экспериментах. На основании их объяснение осуществления подобного свойства основывается на развитии в объеме разреженного газа процесса периодического формирования пространственно-локализованных областей, несущих заряд одного знака, сначала вблизи внешнего ЭП, а затем на всей длине объема разряда УПГ. Этому процессу предшествует предварительное накапливание зарядовой плотности в межмолекулярном (межатомном) пространстве разреженной газовой среды за счет туннелирования электрических зарядов с поверхностью ЭП через стеклянную стенку объема в разреженную газовую среду (при наличии на ЭП импульсов потенциала отрицательной полярности), или за счет туннелирования зарядов внутрь объема через его стенку на всей длине разряда УПГ (при наличии на ЭП импульсов потенциала положительной полярности). При этом время и объем разреженного газа с предварительно накопленным пространственным зарядом (протяженность излучающей поверхности разряда УПГ) определяются давлением газа, амплитудой импульса потенциала на ЭП и радиусом трубки. Удержание туннелированного извне в объем трубки пространственного заряда носит потенциальный характер и осуществляется взаимодействием с каждым единичным объемом такого заряда множества полей ядер соседних атомов, которые существуют вне пределов их электромагнитных орбиталей в силу их квантового характера. При поступлении на ЭП очередного импульса отрицательной полярности в начале его первого полупериода наступает равновесие между силой воздействия поля поверхностного заряда ЭП и силой потенциального удержания пространственного заряда, локализованного атомами (молекулами) разреженной газовой среды. Затем увеличивающееся квазистатическое поле переднего фронта импульса потенциала на ЭП, смещая в нормальном направлении от ЭП потенциальный пространственный заряд, увеличивает его объемную плотность до предельной, при которой поле объемного заряда этой плотности становится равным полю ЭП, явившимся причиной этого процесса. При этом плотность локально возникшего объемного заряда становится больше плотности его изотермического потенциального удержания в межатомном (межмолекулярном) пространстве, т.е. часть этого заряда становится избыточной, свободной для области газового объема под площадью ЭП. Последующее увеличение поля переднего фронта импульса потенциала на ЭП начинает смещать от ЭП избыточный заряд в качестве свободного объемного заряда (СОЗ'а) в продольном направлении газового объема. Подобное смещение прекращается на таком расстоянии от ЭП, на котором поле между ЭП и СОЗ'ом становится равным полю потенциального удержания зарядов в межатомной (межмолекулярной) среде на время межатомного столкновения. Однако затем, если длительность импульса превышает время столкновения, СОЗ' продолжает совершать свое движение на фоне потенциально удерживаемого заряда по всей длине его объема в разреженном газе. Скорость движения СОЗ'а полностью определяется его плотностью. Поскольку этот заряд является свободным от потенциального взаимодействия с атомами газа как внутри объема разряда, так и с атомами газовой (или жидкой) среды вне его, то по мере своего продольного смещения по объему разреженного газа он уходит (диссипирует) во внешнюю среду, совершая также при этом акты возбуждения или ионизации атомов газа. Попадая во внешнюю среду, свободный объемный заряд отдает (заряжает) ей свой знак и своим присутствием обеспечивает протекание различного рода процессов и реакций. Предполагается, что объемный заряд не представляет собой совокупность объемного распределения электронов.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-7.

На фиг.1 приведена общая схема эксперимента по съему зарядов с поверхности объема с разрядом УПГ и их последующей транспортировки на значительные расстояния с помощью водного раствора малой концентрации, выполняющего в эксперименте роль контактного проводника. Подбором параметров возбуждения разряда УПГ осуществляют такой его режим, при котором продольное смещение СОЗ'ов, несущих знак Φ_эп, осуществлялось на всей длине (80 см) объема трубки 1 с разреженным газом, имеющей внешний диаметр 22 мм. Трубку с разрядом погружают в цилиндрический объем 2 (с водным раствором NaCl), соединенным резиновым шлангом 3 с таким же объемом 4 меньших размеров. С помощью поверхностного зонда-съемника, закрепленного на поплавке 5, электрический заряд q₃ через заземленное сопротивление R с поверхности раствора объема 4 стекал током на землю, вызывая появление на R падения напряжения Φ_R= I_з•R, регистрируемое приборами-двухлучевым осциллографом 6 и импульсным милливольтметром 7. Аналогичные поверхностные зонды-съемники 8 различной геометрии, соединяемые с сопротивлением R, используют для съема электрических зарядов при размещении зондов с наружной поверхности объема 4 и соединительного шланга. Реализацию съема зарядов с поверхностью трубки с разрядом УПГ осуществляют последовательным погружением трубки в водный раствор NaCl объема 2 с одновременной регистрацией импульсов падения напряжения Φ_R на сопротивлении R, подсоединяемого к зондам 5, 8 или к металлической пробке 9, закрывающей шланг с раствором на расстоянии в 130 см от объема 2. Зона 5 с площадью поверхности S₃=12,6 см² вертикальным перемещением могла приводиться в соприкосновение с поверхностью раствора в объеме 4 (с внешним радиусом в 5,9 см и общей высотой в 19 см) или находиться над ним на определенной высоте h. Цилиндрические зонды 8 с различной площадью съема охватывали наружную поверхность стенки объема 4 или резинового шланга 3 при перемещении по его поверхности на различные удаления от объема 2 с помещенным в него разрядом УПГ.

На фиг.2 показаны результаты съема зарядов с поверхности трубки 1 с разрядом УПГ при ее последовательном погружении в водный раствор объема 2. Общая глубина погружения 9 см; внутренний диаметр объема 2 равен 5,7 см; его высота 80 см. Импульсы потенциала Φ_эп=6,0 кВ (форма импульсов близка к треугольной, с их длительностью по основанию t_и=10 μs) с частотой f_и=1000 Гц поступали на заэкранированный от внешней среды электрод-покрытие (ЭП) из металлической фольги, покрывающей на длине в 10 см один из концов разрядной трубки 1 с разреженным (0,2 Тор) газом (воздухом) (фиг.1). В этом эксперименте заряды через сопротивление R стекали с металлической пробки 9, закрывающей на удалении в 130 см от объема 2 конец резинового шланга с раствором. Эксперимент показал, что чем глубже погружается в раствор трубка с разрядом УПГ, тем больший заряд стекает с ее поверхности в раствор и переносится по его объему до металлической пробки 9, а с нее на землю через сопротивление R. Незначительное нарушение в изменении отношения (заряд/единица длины погруженного объема) при погружении трубки объясняется, по-видимому, тем, что с ростом общего заряда, передаваемого объему раствора поверхностью трубки, увеличивается его доля, испускаемая как поверхностью раствора в объеме 2, так и стенками этого объема в окружающее его пространство.

На фиг.3 представлены результаты съема заряда с подвижного зонда цилиндрической формы с площадью в S₃=20 см², охватывающего резиновый шланг диаметром 13 мм, соединяющий два объема (2 и 4) с раствором NaCl. В ходе эксперимента зонд перемещался по шлангу, начиная с удаления в 130 см от объема 2 с раствором, в который на глубину 10 см погружалась трубка 1 с разрядом. Начальное расстояние в 130 см выбиралось с целью уменьшения наводок на зонде излучением непосредственно стенок объема 2 при нахождении в нем трубки с разрядом. Эксперимент показал практически линейное уменьшение наводимого на зонде заряда с ростом расстояния l ≲ 380 см между объемом 2 и зондом 9, фиг.1, 3, кривая 1. В такой же закономерности уменьшается и заряд q₃, наводимый на плоском зонде с такой же (20 см²) площадью поверхности, что и у зонда 9, но перемещаемый вдоль шланга с раствором на постоянном от него расстоянии в r₃=5 см, кривая 2 фиг.3. На фиг.4 представлены результаты измерения зондового заряда q₃(h) при удалении h зонда от поверхности раствора в малом объеме 4, соединенным шлангом 3 с объемом 2, в котором на глубину 10 см погружался конец трубки с разрядом УПГ. Анализ наблюдаемой зависимости q₃(h) показывает, что в условиях эксперимента q₃≈h^-0,81, т.е. при большой (сравнимой с поверхностью зонда) излучающей поверхности зависимость q₃(h) отличается от кулоновской q≈h^-2. На фиг.4 показана также зависимость величины заряда, снимаемого с поверхности объема 4 с раствором, от площади зондов, прикладываемых к этой поверхности. Наблюдаемая зависимость q₃(S₃) близка к линейной, что указывает на существование равномерного распределения свободного заряда по объему раствора внутри емкости 4.

В следующем эксперименте поверхностные зонды исследовались для съема электрического заряда непосредственно с поверхности трубки 2 с разрядом УПГ. Для этих целей цилиндрической геометрии зонд с площадью в 13,5 см², охватывающий поверхность трубки с разрядом, перемещался по этой поверхности по всей длине разряда. При этом максимум заряда q_3m наблюдался, начиная с определенного расстояния l_Φm от ЭП, фиг.5, причем для амплитуды импульсного потенциала Φ_эп< 4,0 кВ l_Φm~ p^-1, при p= const l_Φm≠ f(Φ_эп); для Φ_эп≥ 4,0 кВ l_Φm~ Φ_эп, кривая 1-4, фиг. 5 (1-Φ_эп=6 кВ; p=0,2 Тор; 2-5 кВ/0,2 Тор; 3-4 кВ/0,2 Тор; 4-3 кВ/0,2 Тор; 5-6 кВ/0,027 Тор; 6-6 кВ/1,0 Тор). При р ≳ 6,0 Тор q₃≈l₃ ^-1 (l₃ удаление зонда от ЭП), кривая 6 фиг.5. При p и Φ_эп, когда протяженность разряда l_p максимальна, Φ_эп >5,0 кВ и p ≃ 0,1-0,3 Тор), на поверхности трубки существует участок с протяженностью l_Φs, на котором снимаемый заряд q₃ пропорционален площади зонда S₃, q₃≈S₃. Выполнение соотношения q₃≈S₃ при удалении r зонда от поверхности разряда УПГ требовало для каждого r наличия определенного минимального значения S₃, н-р, для Φ_эп≥ 6,0 кВ и р=10 см q₃≈S₃ только при S₃≥40 см². Величина S₃ определяла максимум q₃ для пары конкретных значений Φ_эп и р.

На фиг.6 показаны зависимости q₃ (Φ_эп, S₃) для р=0,2 Тор.

На фиг. 7 приведены результаты и схема эксперимента, в котором исследовалось испускание свободного заряда с поверхности объема с разрядом УПГ в воздушную среду, окружающую этот объем. Метод регистрации зарядов оставался практически тем же самым по падению напряжения Φ_R на сопротивлении R при стекании через него заряда q₃ на землю током I₃dq₃/dt_и, т.е. q_з= 0,5•t_иΦ_з/R (использовались импульсы потенциала треугольной формы). Исследовалась зависимость q₃(r), где r удаление зонда от различной площади излучающей поверхности объем разряда УПГ. Исследовалась также зависимость q₃(S₃), где S₃ площадь поверхности зонда различной геометрии, охватывающей объем разряда на различных от него расстояниях. Эксперимент, в частности, показал, что при малой длине l_r излучающей поверхности объема разряда (изменение l_r осуществлялось с помощью заземленного металлического экрана, охватывающего объем разряда, фиг. 7), когда l_r=2r_т≥d₃ (r_т - радиус трубки, d₃ диаметр круглой поверхности зонда) для зондового заряда выполняется зависимость q₃(r), близкая к кулоновской q₃≈r^-2 (фиг.7, кривая 1). При увеличении протяженности излучающей поверхности (l_r) до 80 см отрицательный показатель степени при r в зависимости q₃(r) становился меньше единицы, кривая 5, фиг.7. С ростом площади поверхности зонда S₃ этот показатель, наоборот, увеличивался до 2,7, кривая 7,9 фиг. 7 (1-l_r=30 мм, q₃≈r^-2,05; 2-80 мм/r^-1,3; 3-210 мм/r^-1,24; 4-410 мм/r^-1,8; 5-800 мм/r^-0,92; 1-5 - S₃=6,16•10^-4 м²; р=0,2 Тор; Φ_эп=6 кВ. При малых давлениях р=0,08 Тор: 6,7-l_r=50 мм; 8,9-l_r=800 мм; 6,8-S₃=1,2•10^-2 м²; 7,9-S₃ 2•10^-3 м²; 6-q₃≈r^-2,7; 7-q₃≈r^-2; 8-q₃≈ r^-1,7; 9-q₃≈r^-1,12). Выполнение соотношения q₃≈S₃ при (p₁Φ_эп- const) на участке с протяженностью разряда l_Φs и на расстоянии r от него возможно только в том случае, если при движении СОЗ'ов вдоль разряда сохраняется постоянство плотности ρ_оз их заряда q_оз, т.е. и поле СОЗ'а на этом участке В этих обстоятельствах, воспользовавшись теоремой Гаусса для вектора можно определить заряд СОЗ'а при его появлении до распада. Из E_оз= E_з= σ_з/ε_o= q_з/S_з•ε_o= 0,5t_пΦ_R/RS_зε_o имеем ε_oE_озS_оз= q_оз, где S_оз= 4πP2оз

. Наблюдения показывают, что на участке l_Φsr_оз= r_т (r_т радиус трубки), т.е. при Φ_эп6,0 кВ, Р=0,07 Тор, когда на l_Φs=60 см, q₃/S₃-const, σ_з=1,6•10^-6 K/м² и E_оз= E_з= σ_з/ε_o= 1,78•10⁵ В/м. Заряд каждого СОЗ'а q_оз= ε_oE_озS_оз= 1,98•10^-9 К, имея первоначальное распределение с плотностью ρ_оз= 4,72•10⁴ К/м³, по всему объему СОЗ'а , диссипирует в пространстве, окружающее поверхность объема с разрядом, процессом туннелирования через стеклянную стенку трубки.

Таким образом, результаты экспериментов однозначно показывают возможность использования поверхности объема разряда УПГ в качестве объемного источника электрических зарядов, туннелирующих из разряда в окружающую объем жидкую или газовую среду. При этом в отличие от ввода зарядов в различные среды с помощью металлических электродов, предлагаемый способ:
обеспечивает сохранение постоянства процентного состава и температуры во всем объеме газовой или жидкой среды, контактирующей с поверхностью объема разряда, являющейся источником свободных зарядов;
обеспечивает нахождение в среде только зарядов одного знака, заряжая ими объем среды и обеспечивая тем самым избирательные свойства среды для протекания в ней соответствующих электрофизических или электрохимических процессов.

Использование: в области электрического воздействия на среду, в качестве источников свободных зарядов и в электрохимических процессах и устройствах. Сущность изобретения: используется свойство свободных объемных зарядов одного знака, формируемых в объеме безэлектродного разряда униполярного газа, способствовать возникновению зарядов одного знака в окружающей среде, оказывая тем самым воздействие на протекание в этих средах различных процессов. 7 ил.

Применение внешней поверхности стеклянной трубки с объемом униполярного пробоя газа внутри нее в качестве поверхностного и объемного источника электрических зарядов одного знака.