Письма в ЖЭТФ, том 110, вып. 1, с. 72 - 77

Роль стримеров в формировании коронного разряда

при резко неоднородном электрическом поле

В.Ф.Тарасенко^+∗, В.С.Кузнецов⁺¹⁾, В.А.Панарин⁺, В.С.Скакун⁺, Э.А.Соснин^+∗, Е.Х.Бакшт⁺

⁺Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, 634055 Томск, Россия

^∗Национальный исследовательский Томский государственный университет, 634050 Томск, Россия

Поступила в редакцию 7 мая 2019 г.

После переработки 7 мая 2019 г.

Принята к публикации 16 мая 2019 г.

В воздухе атмосферного давления исследовано зажигание коронного разряда на острие, имеющем

малый радиус кривизны. Установлено, что в резко неоднородном электрическом поле независимо от

полярности напряжения инициирование коронного разряда обусловлено формированием стримеров ша-

ровой формы как при высокой (≥ 10 кВ/мкс), так и при медленной (≤ 0.2 кВ/мс) скорости нарастания

напряжения на промежутке игла-плоскость. Показано, что при положительной полярности острия, ам-

плитуда тока через промежуток первых стримеров примерно в два раза меньше, чем при отрицательной

полярности, а частота их появления отличается на два и более порядков. Установлено, что с острием

отрицательной полярности в области формирования стримеров шаровой формы высокие частоты сле-

дования импульсов приводят при одинаковых напряжениях на промежутке к большим средним токам

через промежуток и большему размеру наблюдаемой светящейся области.

DOI: 10.1134/S0370274X19130137

Введение. Изучению и применению коронного

пульса напряжения коронный разряд не успевает пе-

разряда в воздухе атмосферного давления уделя-

рейти в диффузный или искровой.

лось [1-3] и продолжает уделяться большое внима-

В работе [16] было установлено, что пробой про-

ние [4-13]. Это обусловлено потерями энергии при

межутка при высоких скоростях роста напряжения

возникновении короны в линиях передач электриче-

на электроде с малым радиусом кривизны начи-

ской энергии и других устройствах, а также широ-

нается с формирования стримера шаровой формы

ким спектром применений коронного разряда. Из-

при обоих полярностях импульса напряжения. При

вестно, что на проводниках с малым радиусом кри-

малых амплитудах импульсов напряжения эта ста-

визны реализуются различные режимы коронного

дия пробоя соответствует импульсному коронному

разряда, в том числе наблюдается стационарная ко-

разряду. Причем “коронные вспышки” у электрода-

рона [1, 5]. При отрицательной полярности напря-

острия отрицательной полярности известны давно,

жения на острие возникает нестационарная корона

см. статью [14] и монографию [1].

и регистрируются импульсы тока (импульсы Триче-

Как мы уже отметили, исследования коронного

ла [14]), частота следования которых возрастает при

разряда, проведенные при медленном нарастании на-

увеличении напряжения [1,5,6,11,14]. На острие по-

пряжения на промежутке, показали, что коронный

ложительной полярности коронный разряд возника-

разряд зажигается при более низких напряжениях

ет при больших напряжениях, чем при отрицатель-

на отрицательном острие, см., например, [4]. С дру-

ной полярности [4, 5]. Регистрируемые импульсы то-

гой стороны, хорошо известно, что для продвижения

ка ряд авторов связывает с формированием стриме-

катодонаправленного стримера напряженности элек-

ров [5, 8].

трического поля примерно в два раза меньше, чем

Образование импульсного коронного разряда так-

для анодонаправленного стримера. Эти напряжен-

же наблюдается при подаче на промежуток острие-

ности составляют в воздухе атмосферного давления

плоскость импульсов высокого напряжения короткой

соответственно ∼ 5 и ∼ 10 кВ/см², см. [5], с.588.

длительности с фронтом ∼ 1 мкс и менее, см., напри-

Цель настоящей работы исследовать зажигание

мер, [9, 10, 13, 15-17]. За счет малой длительности им-

коронного разряда в воздухе атмосферного давления

при низких напряжениях и высоких напряженностях

электрического поля, для достижения которых при-

¹⁾e-mail: robert_smith_93@mail.ru

менялось острие с малым радиусом кривизны.

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 1 - 2

2019

Роль стримеров в формировании коронного разряда при резко неоднородном электрическом поле

Рис. 1. (Цветной онлайн) Фотографии свечения плазмы, образовавшейся у острия иглы, при межэлектродном зазоре

d = 40 (a), (b), (c), (d) и 3мм (e), (f), (g), отрицательном (a), (b), (e), (f) и положительном (c), (d), (g) напряжении U

на острие. U = 2.5 (e), (g), 3.8 (f), 19.2 (a), (c) и 23.3 кВ (b), (d). При отрицательной полярности острие расположено

справа, а при положительной слева. Длительность экспозиции 15 с

Экспериментальная установка и методи-

Экспериментальные результаты и их об-

ки измерений. Экспериментальная установка была

суждение. Проведенные исследования показали,

традиционной для исследований коронного разряда с

что инициирование коронного разряда в резко неод-

промежутком острие-плоскость. Электрод с малым

нородном электрическом поле независимо от поляр-

радиусом кривизны был изготовлен из “биссерной”

ности напряжения иглы происходит за счет форми-

иглы длиной 55 мм, диаметром 0.3 мм, которая имела

рования стримера, имеющего форму, близкую к ша-

радиус скругления острия после нескольких искро-

ровой. На рисунке 1 показаны фотографии свечения

вых пробоев ≈ 40 мкм. Второй электрод был плоским

плазмы, образовавшейся у острия при различных на-

и устанавливался на расстоянии от кончика иглы от

пряжениях и расстояниях до второго электрода.

1 до 50 мм. В экспериментах использовались три ис-

Съемка проводилась в темноте. При d = 40 мм

точника напряжения. С первым, стабилизированное

игла слабо освещалась. Свечение короны у острия

напряжение U = 0.4-5 кВ с точностью не хуже 0.5 %

при малых напряжениях можно было регистриро-

повышалось на промежутке со скоростью не более

вать только с использованием больших экспозиций.

0.2 кВ/мс. Второй источник питания с напряжением

Свечение появлялось на острие иглы отрицательной

до 36 кВ также обеспечивал скорость роста не более

полярности при меньших напряжениях и имело, при

0.2 кВ/мс. Третий источник формировал импульсы

равных напряжениях, большие размеры (рис. 1a, c и

напряжения синусоидальной формы обоих полярно-

e,g). При высоких напряжениях коронный разряд

стей с амплитудой до 15 кВ и длительностью фронта

переходит в тлеющий, рис. 1f.

≈ 500 нс.

При увеличении напряжения с иглы положитель-

Фотография коронного разряда были получены

ной полярности начинали стартовать струи, рис. 1d,

цифровым фотоаппаратом Canon PowerShot SX 60

которые являются цилиндрическими стримерами.

HS в режиме покадровой съемки с временем экспо-

При дальнейшем увеличении напряжения стримеры

зиции 15 с. Свечение плазмы коронного разряда с

достигали плоского электрода и формировался тлею-

третьим источником также регистрировалось с раз-

щий (диффузный) разряд, который переходил в ис-

решением во времени с помощью четырехканальной

кровой. При этом пробой промежутка наблюдался

ICCD камеры HSFC PRO.

при более низких напряжениях, чем при отрицатель-

С помощью осциллографа TDS 3034 (Tektronics,

ной полярности острия, что согласуется с данными

Inс.) и высоковольтного пробника снимали времен-

по пробою в неоднородном электрическом поле, см.,

ной ход напряжения. Импульсы тока разряда реги-

например, [5].

стрировались с высокоомного токового шунта (R =

До появления первых стримеров, можно было с

= 1кОм). Это позволяло измерять как импульсную,

помощью шунта и осциллографа зарегистрировать

так и постоянную составляющую тока через проме-

постоянный ток темнового таунсендовского разряда,

жуток.

величина которого была менее 1 мкА. При появле-

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 1 - 2

2019

В.Ф.Тарасенко, В.С.Кузнецов, В.А.Панарин и др.

Рис. 2. Импульсы тока стримеров, полученные при отрицательной (a), (c) и положительной полярности напряжения

(b), (d). d = 40 мм. U = 3.9 (a), (b) и 14.4 кВ (c), (d)

нии свечения на острие начинали регистрироваться

На рисунке 3 приведены импульсы тока при на-

импульсы тока с амплитудой в десятки сотни мкА,

пряжении 24.5 кВ и зазоре 40 мм.

которые обусловлены формированием стримеров ша-

Амплитуда тока стримера при отрицательном

ровой формы.

острие, рис.3a, существенно не изменилась, но увели-

Нами было установлено, что корона начинает

чилась постоянная составляющая тока разряда. Од-

формироваться за счет образования стримеров при

нако и при высоких напряжениях область свечения

обеих полярностях напряжения. Каждый из первых

у острия имела форму, близкую к шаровой, рис.1b,

стримеров, свечение которых наблюдалось только

тогда как при положительной полярности и том же

у острия и имело шаровую форму, сопровождает-

напряжении форма короны изменялась, рис. 1d. Ток

ся импульсами тока с длительностью на полувысо-

с шунта при формировании цилиндрического стри-

те ∼ 200 нс. На рисунке 2 приведены импульсы тока

мера существенно возрос, рис. 3b.

стримеров для длины разрядного промежутка 40 мм

Амплитуды импульсов и паузы между ними за-

при напряжениях разной полярности и амплитуды в

висели от полярности острия и величины напряже-

условиях наблюдения у острия свечения в виде шара.

ния. Например, с d = 8 мм и напряжении положи-

При повторении этих экспериментов разброс ам-

тельной полярности острия 8 кВ длительность им-

плитуды тока не превышал 20 %. Осциллограммы то-

пульсов на полувысоте τ_0.5 = 220 нс, амплитуда тока

ка свидетельствуют о формировании анодо- и като-

6 мА и период повторения импульсов ≥ 240 мкс. Этот

донаправленных стримеров с острия. Как видно из

период соответствовал частоте следования импуль-

рис. 2a, b, амплитуды импульсов тока при напряже-

сов f ≈ 4.2 кГц. С тем же зазором и напряжением

нии 3.9 кВ были больше при отрицательной поляр-

при отрицательной полярности острия τ_0.5 = 94 нс,

ности острия. Однако при напряжении 14.4 кВ ам-

= 5МГц, а амплитуда импульсов тока равня-

плитуды импульсов уже примерно равны и замет-

лась 56 мкА. Также перед формированием следую-

но возросла для обоих полярностей иглы постоянная

щего импульса регистрировалась постоянная состав-

составляющая тока разряда, рис.2c,d. Частоты сле-

ляющая тока ∼ 42 мкА. Частота следования импуль-

дования импульсов тока были существенно больше

сов при одинаковых напряжениях была на два и бо-

при отрицательной полярности напряжения. Срав-

лее порядков больше при отрицательной полярно-

нение величин напряжения при регистрации первых

сти острия. Это приводило к существенно больше-

импульсов показало, что при положительной поляр-

му среднему току коронного разряда. При отрица-

ности для появления первого импульса тока нужны

тельной полярности острия, обычно начиная с перво-

более высокие напряжения, чем при отрицательной.

го импульса тока, формируется последовательность

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 1 - 2

2019

Роль стримеров в формировании коронного разряда при резко неоднородном электрическом поле

Рис. 3. Импульсы тока разряда, полученные при отрицательной (a) и положительной (b) полярности напряжения

импульсов, частота которых увеличивается с ростом

яркость свечения плазмы у острия, а также сфото-

напряжения. Это хорошо известные импульсы Три-

графировать динамику развития первых стримеров,

чела, которые описаны во многих работах и моногра-

рис. 4.

фиях [1, 4-7, 11, 14].

Кроме частоты следования импульсов Тричела,

с ростом напряжения несколько увеличивается их

длительность на полувысоте и постоянная составля-

ющая тока разряда. Амплитуда импульсов тока при

этом уменьшается относительно постоянной состав-

ляющей тока в паузе между импульсами, но увеличи-

вается относительно нулевого уровня. Из настоящей

работы следует, что импульсы Тричела обусловле-

ны формированием стримеров. Кроме того, в дан-

ных экспериментах было впервые обнаружено, что

при положительной полярности острия зажигание

короны также начинается с формирования стримера.

Амплитуда тока стримеров зависела от расстояния

до плоского электрода и была, как правило, мень-

ше, чем при отрицательной полярности напряжения.

Частота следования импульсов тока при появлении

катодонаправленных стримеров была на два поряд-

ка и более меньше, чем при отрицательной поляр-

ности. В результате средний ток коронного разряда

при свечении у острия шаровой формы с положи-

Рис. 4. Фотографии свечения плазмы у острия иглы

тельным острием был на порядок меньше, чем с от-

при длительности одного кадра 100 (a) и 10 нс (b). По-

рицательным. Также, при одинаковых напряжениях

лярность импульсов напряжения отрицательная (a) и

область регистрируемого фотоаппаратом свечения у

положительная (b). Каждый последующий кадр вклю-

положительного острия была меньше, рис. 1.

чался после предыдущего без задержки. Максимальное

Поскольку время появление первых стримеров

напряжение на промежутке 7 кВ

при малых напряжениях и малой скорости увеличе-

ния напряжения имело большой разброс, то динами-

На рисунке 4a приведены четыре фотографии

ку их формирования зарегистрировать с помощью

свечения плазмы при отрицательной полярности

ICCD камеры не удалось. Эксперименты по реги-

острия. Длительность каждого кадра составляла

страции первых стримеров были проведены с исполь-

100 нс, кадры были получены последовательно с

зованием импульсного источника напряжения. Это

задержками от начала фотографирования 0, 100,

позволило увеличить напряжение на промежутке и

200 и 300 нс. Для дополнительной стабилизации мо-

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 1 - 2

2019

В.Ф.Тарасенко, В.С.Кузнецов, В.А.Панарин и др.

мента времени появления стримера использовался

катодонаправленного стримера, достигается только

импульсно-периодический режим работы генерато-

при более высоком напряжении.

ра с частотой 7 кГц. Из рисунка 4a видно, что на

С другой стороны, формирование цилиндриче-

первом кадре излучение отсутствует и, что основное

ских стримеров начинается с положительного острия

свечение у острия длится около 200 нс (второй и тре-

при меньших напряженностях электрического по-

тий кадры). Это соответствует длительности импуль-

ля. Это приводит к увеличению тока стримера, см.

са тока через промежуток. На четвертом кадре ин-

рис. 4b, и обусловлено увеличением динамического

тенсивность излучения уменьшалась. При длитель-

емкостного тока [17]. Фронт стримера приближает-

ности кадра 10 нс интенсивности излучения анодо-

ся к плоскому электроду на меньшие расстояния, а

направленного стримера было недостаточно для его

затем замыкается на него. Соответственно, напряже-

регистрации, хотя на фотографиях, рис. 1, свечение

ние пробоя промежутка при положительном острие

у отрицательного острия более яркое из-за высокой

меньше. Эксперименты с ICCD камерой подтвержда-

частоты формирования стримеров.

ют этот вывод.

При положительной полярности импульса напря-

Заключение. В данной работе впервые показа-

жения той же амплитуды, также удалось зарегистри-

но, что в воздухе атмосферного давления при резко

ровать динамику формирования одиночных стриме-

неоднородном электрическом поле зажигание корон-

ров. Причем, как следует из фотографий, получен-

ного разряда происходит при обеих полярностях за

ных с помощью ICCD камеры, рис. 4b, интенсивность

счет формирования стримеров, которые имеют ша-

излучения одиночных стримеров при положительной

ровую форму. Причем, с иглы положительной поляр-

полярности и импульсном напряжении была больше.

ности стример стартует при более высоком напряже-

Свечение у острия зегистрировалось и при меньшей

нии на промежутке. При одинаковом напряжении на

на порядок длительности одного кадра (10 нс). Из

промежутке в режиме шаровых стримеров большие

рисунка 4b также видно, что головка стримера уда-

средние токи коронного разряда регистрируются с

ляется от острия, см. четвертый кадр. Это свидетель-

отрицательной полярностью иглы. Увеличение сред-

ствует о начале формирования в этих условиях ци-

него тока коронного разряда достигается при отри-

линдрического стримера. Увеличение интенсивности

цательном острие за счет высокой частоты следова-

излучения согласуется с большими амплитудами им-

ния отдельных импульсов (на два порядка и более),

пульсов тока в первом импульсе при зажигании ко-

чем при положительной полярности иглы. Формиро-

ронного разряда с положительного острия при уве-

вания цилиндрических стримеров с положительного

личении напряжения на промежутке, рис. 4b. Тогда

острия при увеличении напряжения приводит к су-

как на фотографиях интегрального свечения коро-

щественному росту амплитуд импульсов тока, и они

ны, полученных с помощью фотоаппарата при боль-

начинают превышать при одинаковом напряжении

ших выдержках и одинаковом напряжении на про-

амплитуды импульсы тока с отрицательного острия.

межутке, размеры светящейся области больше при

Считаем, что при больших размерах коронирующих

отрицательной полярности острия. Это объясняется

электродов, а также их произвольной форме и по-

наличием больших пауз между стримерами при по-

лярности, зажигание коронного разряда начинает-

ложительной полярности и меньшими средними то-

ся с формирования стримеров, которые стартуют за

ками.

счет усиления электрического поля на микронеодно-

Для продвижения катодонаправленного стриме-

родностях электрода с малым радиусом кривизны.

ра нужны более низкие напряженности электриче-

Исследования выполнены в рамках государствен-

ского поля, чем для продвижения анодонаправлен-

ного задания Института сильноточной электроники

ного стримера [5]. В данной работе зажигание ко-

Сибирского отделения РАН по теме # 13.1.4.

ронного разряда, как и в других работах см., напри-

мер, [1, 4, 5, 7], наблюдалась с отрицательным остри-

ем при более низких напряжениях. Мы считаем, что

1. Л. Леб, Основные процессы электрических разрядов

это обусловлено эмиссией электронов с отрицатель-

в газах, Гостехиздат, М. (1950).

ного острия. В результате, при меньших напряже-

2. В. Н. Ужов, Очистка промышленных газов электро-

ниях появляются первые электроны и формирует-

фильтрами, Химия, М. (1967).

ся лавина, которая достигает критического размера.

3. В. В. Базуткин, В. П. Ларионов, Ю. С. Пинталь, Тех-

При острие положительной полярности электроны

ника высоких напряжений. Изоляция и перенапря-

быстро уходят в острие и критическая концентрация

жения в электрических системах, Энергоатомиз-

ионов у острия, достаточная для начала движения

дат, М. (1986).

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 1 - 2

2019

Роль стримеров в формировании коронного разряда при резко неоднородном электрическом поле

4. С. Б. Афанасьев, Д. С. Лавренюк, И. Н. Петрушенко,

11. Z. Kexin, P. Yongjun, T. Miao, T. Jingfeng, W. Liqiu,

Ю. К. Стишков, ЖТФ 78, 30 (2008).

and Z. Chaohai, J. Phys. Conf. Ser. 652, 012016 (2015).

5. Ю. П. Райзер, Физика газового разряда, 3-е изд.,

12. W. Shuqun, Ch. Wenxin, H. Guowang, W. Fei,

испр., доп., Интеллект, М. (2009).

L. Chang, L. Xueyuan, Zh. Chaohai, and L. Xinpei,

6. Э. И. Асиновский, А. А. Петров, И. С. Самойлов,

Phys. Plasmas 25, 123507 (2018).

Письма в ЖЭТФ 86, 354 (2007).

13. В. Ф. Тарасенко, Е. Х. Бакшт, Э. А. Соснин, Физика

7. Ю. С. Акишев, Г. И. Апонин, М. Е. Грушин, В. Б. Ка-

плазмы 44, 447 (2018).

ральник, М. В. Панькин, А. В. Петряков, Н. И. Труш-

14. G. W. Trichel, Phys. Rev. 54, 1078 (1938).

кин, Физика плазмы 34, 347 (2008).

15. P. Tardiveau, N. Moreau, S. Bentaleb, C. Postel, and

8. G. V. Naidis, Phys. Rev. E 79, 057401 (2009).

S. Pasquiers, J. Physics D: Appl. Phys. 42,

175202

9. D. Z. Pai, D. A. Lacoste, and C. O. Laux, J. Appl. Phys.

(2009).

107, 093303 (2010).

16. Д. В. Белоплотов, В. Ф. Тарасенко, Д. А. Сорокин,

10. T. Shao, V. F. Tarasenko, Ch. Zhang, I. D. Kostyrya,

М. И. Ломаев, Письма в ЖЭТФ 106, 627 (2017).

H. Jiang, R. Xu, D.V. Rybka, and P. Yan, Appl. Phys.

17. Д. В. Белоплотов, М. И. Ломаев, В. Ф. Тарасенко,

Express 4, 0660 (2011).

Д. А. Сорокин, Письма в ЖЭТФ 107, 636 (2018).

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 1 - 2

2019