УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ ОДНОРОДНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО РАЗРЯДА В ПЛОТНЫХ ГАЗАХ Российский патент 1998 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть применено в качестве плазмолистовых электродов в щелевых разрядных камерах, открывающих перспективное направление в создании нового поколения мощных газоразрядных лазеров без быстрой прокачки рабочей смеси.

Известно устройство для возбуждения поверхностного разряда в плотных газах /Atanasov P. A. Serafitinides A.A. TEA GAS Lasers excited by sliding discharge along the curface of a dielectric. //Optics communications. 1991.

Т. 72, N 6. -P. 356-360/, в котором импульсы напряжения с крутизной фронта до 10¹² 10¹³ В/с от высоковольтного генератора подаются на электродную систему со сплошными протяженными высоковольтными и токосъемными электродами, расположенными на поверхности диэлектрической подложки малой толщины, имеющей на обратной стороне металлический экран.

Недостатки устройства связаны с неоднородной структурой поверхностного разряда, где сильноточные каналы приводят к возбуждению нестационарных газодинамических процессов /1/, сопровождающихся эрозионно-абляционным механизмом разрушения диэлектрической подложки /2/, и сложностью конструкции для возбуждения поверхностного разряда от униполярного источника постоянного напряжения /3/.

Известно устройство (прототип) для возбуждения объемного разряда в плотных газах (патент N 2030046, опубликован в Б.И. N 6, 1995г.), содержащее униполярный источник постоянного напряжения, соединенный с протяженными острийными коронирующим и токосъемным электродами, установленными с формированием разрядного промежутка вдоль образующей подвижного электрода (ПЭ) ротора, выполненного в виде заземленного цилиндра-каркаса с высокоомной диэлектрической пленкой на наружной поверхности. Увеличение мощности W газового разряда в промежутке шириной h между образующей ПЭ и ориентированным перпендикулярно к ней коронирующим электродом ножевого типа требовало уменьшения толщины d диэлектрической шириной h между образующей ПЭ и ориентированным перпендикулярно к ней высоковольтным электродом (ВВЭ) ножевого типа требовало уменьшения толщины d диэлектрической пленки (d<h) на поверхности ПЭ, игравшей роль носителя поверхностного заряда σ на участке длиной L(L>h) от основания разряда под ВВЭ до токосъемного электрода (ТЭ), установленного с минимально допустимым зазором d относительно ПЭ (δ ≃ d) для возбуждения вспомогательного индукционного разряда в промежутке ПЭ-ТЭ, обеспечивающего нейтрализацию зарядного рельефа на ПЭ. Малая толщина d пленки позволяла увеличивать предельную плотность поверхностных зарядов σ_пр на подложке /4/

где
ε_o диэлектрическая постоянная, ε относительная диэлектрическая проницаемость и ток I_пр разряда в промежутке h
I_пр≤ σ_пр•v•l, (2)
где
V скорость движения поверхности ПЭ; l напряженность электродов.

Недостатком устройства является ограниченность тока I разряда в (2) пробивной прочностью газа в приповерхностном слое ПЭ, сдерживающая развитие ионизационных процессов во вспомогательном разряде в промежутке ПЭ-ТЭ, определяющих ширину полосы свечения однородного поверхностного разряда (ОПР), распространяющегося от ТЭ вверх против вектора движения поверхности ПЭ по мере роста напряжения U на ВВЭ на скорости U подложки. Производительность ионизационных процессов в промежутке ПЭ-ТЭ определяется напряженностью наведенного электрического поля E_н в зазоре δ Максимальная величина поля E_нпр может быть оценена как E_нпр~ U_пр/δ Здесь U_пр продельное значение потенциала на поверхности пленки, связанное с толщиной d и предельной плотности зарядов σ_пр как

Из выражения (1) следует, что тонкие пленки позволяют переносить большую плотность зарядов σ_пр При этом для получения предельного значения тока I_пр в (2) необходима максимальная производительность рекомбинационних процессов во вспомогательном разряде в промежутке ПЭ-ТЭ. Однако из (1) и (3) следует, что уменьшение толщины d пленки приводит к снижению предельного значения потенциала U_пр и соответственно напряженности E_н наведенного поля на ТЭ. И может оказаться, что концентрация зарядов (ионов, электронов) во вспомогательном разряде будет недостаточна для полной нейтрализации зарядов σ_пр на подложке.

В основу изобретения положена задача повышения тока однородного поверхностного газового разряда на диэлектрической подложке подвижного электрода. Данная задача решается за счет того, что ножевые высоковольтный и токосъемный электроды установлены в одной плоскости с одинаковым зазором относительно поверхности подвижного электрода на расстоянии L, величина которого выбирается из условия

где
U напряжение на высоковольтном электроде, (E/P)_проб.т. - табличное значение приведенной напряженности пробойного электрического поля для заданного газа; P давление газовой среды.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг.2. вид по стрелке A.

Устройство состоит из униполярного источника постоянного напряжения 1, высоковольтного 2 и токосъемного 3 электродов ножевого типа, высокоомного диэлектрического слоя 4 толщиной d на наружной поверхности протяженного металлического цилиндра 5, образующих совместно с металлическими спицами 6, осью 7 и заземленным скользящим контактом 8 подвижный электрод (ПЭ). ПЭ установлен на подшипниках 9 и имеет привод от электродвигателя. Ножевые электроды 2 и 3 установлены в одной плоскости на расстоянии L друг от друга и с минимально допустимым зазором δ относительно образующей ПЭ.

Расстояние L между электродами 2 и 3 выбирается из условия, чтобы напряженность электрического поля в промежутке ВВЭ-ТЭ, оцениваемая как E≈U/L, где U напряжение на ВВЭ, составляла от 0,3 до 0,9 от пробивающего поля (E/P)_проб.т., где P давление газа. Диэлектрическое покрытие 4 на ПЭ имеет толщину d≥ 1 мм при относительной проницаемости материала e 2-10.

Устройство работает следующим образом.

При вращении ротора со скоростью более 10³ об/мин подается от источника 1 на ВВЭ 2 высокое напряжение U отрицательной полярности и при U≥U_з, где U_з напряжение зажигания, происходит одновременное возбуждение разрядов в двух промежутках: ВВЭ-ПЭ и ПЭ-ТЭ. В промежутке ВВЭ-ПЭ на диэлектрик 4 наносится распределенный отрицательный заряд s который в промежутке ПЭ-ТЭ возбуждает индукционный разряд типа положительной короны. Индукционная корона генерирует положительные ионы, которые, ускоряясь в поле заряда s обеспечивают поверхностный процесс ион-ионной рекомбинации /5/.

При дальнейшем увеличении U на ВВЭ возрастают плотность зарядов s на участие L ПЭ и интенсивность ионизационных процессов в промежутке ПЭ-ТЗ, что проявляется в формировании на ПЭ перед ТЭ полосы диффузного свечения, которая может рассматриваться как незавершенная фаза однородного поверхностного разряда (ОПР). Характерно, что начиная с момента появления полосы незавершенного ОПР, уровень тока I в цепи разряда превышает предельную величину, определяемую из соотношения (2). Это позволяет говорить о возникновении дополнительной цепи, которая может быть связана с проводимостью газа в приповерхностном сдое ПЭ в промежутке ВВЭ-ТЭ.

При достижении перенапряжения на ВВЭ b U/U_з=1,5-1,6 ширина полосы свечения незавершенного ОПР на ПЭ составляет 0,4-3,5 L, а ток разряда I ≃ 2I_пр. При перенапряжении на ВВЭ β ≃ 2,5-3 полоса свечения ОПР на ПЭ занимает 0,8-0,9 ширины L промежутка. При β 3,2-3,5 полоса свечения ОПР замыкает промежуток ТЭ-БВЭ. Уровень тока в цепи разряда может достигать I ≃ 5-6I_пр /6/.

Получен стационарный однородный поверхностный разряд в воздухе атмосферного давления на подвижном электроде, который характеризуется толщиной полосы свечения Δ ≤ 300 мкм и линейной плотностью тока j=I/l≥ I мА/см. Феноменология ОПР позволяет представить его в виде приповерхностной биполярной несамостоятельной короны, где вытягиваемые с помощью поля E положительные ионы из промежутка ПЭ-ТЭ распространяются вверх против и обеспечивают свечение на ПЭ за счет избыточной энергии рекомбинирующих ионов. ОПР увеличивает проводимость приповерхностного слоя газа за счет насыщения его ионами. Дрейф ионов в поде E вдоль подложки позволяет в 5 и более раз превышать предельные значения тока разряда, определяемые через предельную плотность зарядов σ_пр Полученная форма поверхностного газового разряда нашла применение в бытовых плазмохимических генераторах очистки воздуха /6/ и может рассматриваться для создания безкорпусных газоразрядных индикаторных панелей, возбуждения активных сред щелевых газовых лазеров, решения задач формирования радиоотражающих зеркал в атмосфере.

Литература
1. Исследование остаточных неоднородностей в газе после скользящего разряда по поверхности диэлектрика /О.А.Журавлев, А.В. Кислецов, А.И.Кравцов и дp.// Журнал технической физики. 1989. т. 56, N 7, с. 183-186.

2. Журавлев О.А. Шлыкова М.П. Яббаров Н.Г. Температурный режим диэлектрической подложи плазмолистового электрода ТА и CO₂-лазера// Изв. вузов. Энергетика, 1991, N 2, с. 44-48.

3. Сорокин А. Р. Одноканальный скользящий разряд с высокой направленностью // Письма в ЖТФ, 1987, т. 13, N 2, с. 94-97.

4. Лушейкин Г.А, Методы исследования электрических свойств полимеров. - М. Химия, 1988, 160 с.

5. Райзер Ю.П. Физика газового разряда, М. Наука, 1987, 562с.

6. Журавлев О. А. Федосов А.И. Некоторые особенности разряда в газовом промежутке с диэлектриком на подвижном электроде //Тез, докл. VI конфер. по физике газового разряда, Казань, 1992. С. 10-11.

Использование: изобретение относится к квантовой электронике. Сущность: электромеханическое устройство для возбуждения однородного поверхностного разряда в плотных газах на диэлектрической подложке подвижного электрода-ротора, выполнено в виде заземленного цилиндра-каркаса с высокоомной диэлектрической пленкой на наружной поверхности. Разряд возбуждается между протяженными ножевыми высоковольтным и токосъемным электродами, установленными в одной плоскости вдоль образующей подвижного электрода с мимнимально допустисыс зазором относительно поверхности подложки. Величина L рабочего промежутка между электродами выбирается из определенного условия. 2 ил.

Устройство для возбуждения однородного поверхностного разряда в плотных газах, содержащее униполярный источник постоянного напряжения, соединенный с протяженными ножевым высоковольтным и токосъемным электродами, установленными вдоль образующей подвижного электрода ротора, на поверхность которого нанесено диэлектрическое покрытие, отличающееся тем, что высоковольтный и токосъемный электроды установлены в одной плоскости с одинаковым зазором относительно поверхности подвижного электрода на расстоянии L, величина которого выбирается из условия

где U напряжение на высоковольтном электроде;
(E/P)_{п р о б . т .} табличное значение приведенной напряженности пробойного электрического поля для заданного газа;
P давление газа,
причем токосъемный электрод выполнен ножевой формы.