Приборы и техника эксперимента, 2020, № 2, стр. 149-152

ВВЕДЕНИЕ

Повышенный интерес к источникам низкотемпературной неравновесной плазмы на основе объемного тлеющего разряда атмосферного давления [1, 2] обусловлен возможностями их использования в практических приложениях, в частности предпосевной обработке семян [3, 4].

Различные конструкции источников плазмы описаны в статьях [5–7]. Представляет интерес импульсно-периодический режим отрицательного коронного разряда постоянного напряжения в конфигурации электродов острие–плоскость. В токовой области между формами разряда – короной и искрой – возникает новый вид разряда: диффузный тлеющий разряд при атмосферном давлении, создающий стационарную и однородную неравновесную плазму по всему объему межэлектродного промежутка.

Специальные меры стабилизации отрицательной короны позволяют существенно отодвинуть токовую границу появления искры [8, 9]. Повышенный интерес к изучению диффузного тлеющего разряда в настоящее время обусловлен возможностью использования разряда как нового перспективного источника неравновесной плазмы атмосферного давления [10].

Требования к плазменным источникам, генерирующим низкотемпературную аргоновую плазму для обработки обширных термочувствительных поверхностей, существенно отличаются от требований к источникам плазменных струй [11, 12]. С одной стороны, формирование холодных (близких к комнатной температуре) плазменных струй, способных химически активировать при атмосферном давлении газовые среды и поверхности термически нестойких материалов, не обеспечивает создание неравновесной объемной (большой площади) однородной плазмы в свободном пространстве, с другой, значительно сужается возможность их использования для эффективной обработки обширных термочувствительных поверхностей.

В [13] рассмотрен вариант генерирования слаботочного поверхностного разряда в аргоне атмосферного давления с диэлектрическим барьером на аноде, инициированного отрицательным коронным разрядом постоянного напряжения в промежутке острийный катод–плоский анод, покрытый диэлектриком. Показано, что при повышении напряжения на поверхности диэлектрика формируются ярко светящиеся поверхностные разряды – стримеры, при этом наблюдается как контрагированная, так и диффузная форма разряда. Указанная структура электродов близка к электродной конфигурации острие–плоскость классического отрицательного коронного разряда.

Электродную структуру острийный катод–плоский анод можно рассматривать как эффективный и простой подход к генерации низкотемпературной (холодной) неравновесной аргоновой плазмы на обширной площади благодаря переходу к специальной электродной структуре из многоострийных катодов, равномерно рассредоточенных над плоским металлическим анодом и нагруженных на балластные сопротивления. Такой принцип построения электродной структуры открывает возможность получения неравновесной однородной объемной плазмы и позволяет получить в межэлектродном промежутке высокие [14] по сравнению с классической отрицательной короной в геометрии острие–плоскость плотность тока  j ~ 10 мА/см² и приведенное электрическое поле E/N ~ 75–100 Тд (N – концентрация газа).

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Схема экспериментального источника низкотемпературной неравновесной (холодной) аргоновой плазмы на основе тлеющего разряда атмосферного давления, формируемого в неоднородном электрическом поле [15], представлена на рис. 1.

Рис. 1.

Схема газоразрядного устройства [15]. 1 – анод; 2 – острийные катоды; 3 – балластные сопротивления; 4 – высоковольтный выпрямитель.

Тлеющий разряд инициируется в электродной конструкции между плоским металлическим анодом 1 и острийными катодами 2. Протяженность разрядного промежутка от вершины острий до плоскости анода составляет 1–2 см. Плоский анод представляет собой металлическую пластину площадью 672 см² или металлическую сетку с размером ячеек 1 мм². Острийные катоды ориентированы нормально плоскости анода, объединены в четыре секции на площади 420 см² и нагружены на балластные сопротивления 3. Плотность острийных катодов в секциях – один на площадь 1 см². Диаметр острийных катодов 1.5 мм. Радиус закругления торцевых срезов катодов составлял 50 мкм.

Для стабильного зажигания и устойчивого горения тлеющего разряда [8, 9, 16] каждый острийный катод нагружался регулируемым в диапазоне 1–9 МОм балластным сопротивлением. Плазмообразующий газ аргон нагнетался перпендикулярно острийным катодам и направлению электрического тока пробиваемого разрядного промежутка. Устойчивость разряда относительно перехода отрицательной короны в искровой пробой разрядного промежутка достигается слабой прокачкой аргона через разрядный промежуток. Скорость прокачки на входе в разрядный промежуток 0.45–2.24 м/с. Расход нагнетаемого аргона 5 ⋅ 10^–5 кг/с. Разряд зажигался от регулируемого высоковольтного источника питания ВС-20-10 с выходным напряжением до 20 кВ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В режиме тлеющего разряда атмосферного давления разряд наблюдается в виде однородных, самостоятельных разрядов, заполняющих и перекрывающих весь протяженный разрядный промежуток. Разряд сопровождается появлением светящегося положительного столба и светящегося слоя на аноде, характерного для тлеющего разряда. Свечение плазмы тлеющего разряда наблюдается в виде расширяющихся цилиндрических каналов – от вершин острийных катодов до поверхности анода (рис. 2).

Рис. 2.

Свечение тлеющего разряда атмосферного давления.

На редуцированной вольт-амперной характеристике (рис. 3) выделяются два участка с линейной зависимостью приведенного тока от напряжения – в импульсно-периодическом режиме отрицательной короны (участок а–б) и в режиме тлеющего разряда атмосферного давления (участок б–в). Место пересечения двух экстраполированных прямых отождествляется с началом перехода режима коронного разряда в режим тлеющего разряда. Как видно, включение ионизации в дрейфовой области разрядного промежутка приводит к более крутому нарастанию тока с напряжением в режиме тлеющего разряда атмосферного давления по сравнению с режимом коронного разряда.

Рис. 3.

Редуцированные вольт-амперные характеристики тлеющего разряда атмосферного давления (величина тока пересчитана на одно острие). I* – критический ток перехода в режим тлеющего разряда; протяженность разрядного промежутка: 1 – 1 см, 2 – 2 см.

Превысив значение критического тока I*, соответствующее излому редуцированной вольт-амперной характеристики, свечение разряда однородно заполняет весь разрядный промежуток острийные катоды–плоский анод, что характерно для классического тлеющего разряда, и позволяет получить объемную однородную плазму на всей площади анода. Повышению предельного тока препятствует переход тлеющего разряда атмосферного давления в искровой пробой разрядного промежутка в результате локального усиления напряженности поля и роста плотности ионного пространственного заряда.

Напряженность Е электрического поля линейно растет с ростом плотности тока j (рис. 4, кривая 1). В отличие от тлеющего разряда низкого давления, где напряженность электрического поля увеличивается с ростом протяженности разрядного промежутка, в тлеющем разряде атмосферного давления напряженность электрического поля остается неизменной с ростом протяженности разрядного промежутка (кривая 2).

Рис. 4.

Зависимости напряженности электрического поля Е: 1 – от плотности тока j (протяженность разрядного промежутка 2 см), 2 – от протяженности разрядного промежутка d (плотность тока 0.3 мА/см²).

Концентрация электронов n_е в положительном столбе тлеющего разряда атмосферного давления, получаемая из измерений полного тока I и сечения разряда S: I/S ~ j ~ eμ_eEn_e (e – заряд электронов, μ_e – подвижность электронов), равна n_e ~ ~ 10⁵–10⁶ см^–3. Необходимо отметить, что увеличение количества коронирующих острий заметно снижает величину тока, приходящегося на острие, и предельный ток разряда увеличивается (рис. 5).

Рис. 5.

Зависимость предельного тока разряда от числа острий n. Протяженность разрядного промежутка 2 см.

Источник неравновесной аргоновой плазмы тлеющего разряда испытан при обработке зерен пшеницы [17]. Поверхность зерен становится гидрофильной, характеризуется низкими значениями углов смачивания ~ 57° (исходная поверхность характеризуется углом смачивания ~107°).

На рис. 6 представлена морфология оболочки зерна пшеницы до и после обработки плазмой. Исходная поверхность зерна (рис. 6а) достаточно ровная и гладкая. После воздействия холодной аргоновой плазмы на оболочку зерна (рис. 6б) наблюдаются структурные изменения оболочки зерна, развивается мелкоячеистая сетчатая структура с резко очерченными границами ячеек.

Рис. 6.

Микрофотография оболочки зерна пшеницы: а – до обработки; б – после обработки плазмой (ток разряда ~300 мкА, время экспозиции ~30 c).

Показано [18], что обработка зерен в низкотемпературной неравновесной плазме позволяет значительно увеличить всхожесть и стимулирует рост растений в начальной стадии онтогенеза, при этом достигается значительное увеличение биомассы. Наибольший эффект проявляется при длительности воздействия ~30 с и плотности мощности ~74.5 Вт/м².

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представлен источник низкотемпературной неравновесной аргоновой плазмы на основе тлеющего разряда атмосферного давления. Переход импульсно-периодического режима отрицательной короны в режим тлеющего разряда атмосферного давления происходит при определенном значении тока и сопровождается появлением светящегося положительного столба в разрядном промежутке. Разряд формируется в потоке газа аргона. Балластные сопротивления в цепи коронирующих острий существенно влияют на устойчивость разряда и однородность заполнения разрядного промежутка плазмой, увеличивают предельный ток и расширяют токовую область существования разряда.