Приборы и техника эксперимента, 2022, № 5, стр. 75-78

Барьерный разряд (БР) в газе, т.е. разряд в присутствии диэлектрика между электродами, – это востребованный способ создания низкотемпературной неравновесной плазмы [1]. Плазма БР используется для решения многих задач, таких, например, как очистка, модификация поверхности, напыление, синтез химических соединений, разнообразные медико-биологические применения [2–4]. Обычно БР осуществляют в газовом зазоре миллиметрового диапазона при использовании в качестве диэлектрика стекла, кварца, керамики. Конструкция и геометрия разрядного узла выбираются в зависимости от решаемой задачи.

Характеристики плазмы БР зависят от параметров разрядного узла, состава и давления газа и существенным образом – от схемы возбуждения. Для питания БР обычно используют переменное или однополярное частотно-импульсное напряжение достаточно высокого уровня для пробоя газоразрядного промежутка. Если не создавать специальных условий, то, как правило, БР в газах атмосферного и более высокого давления загорается в виде множества распределенных по поверхности электрода микроразрядов длительностью несколько наносекунд. Особенно этот режим горения разряда характерен для газов с высокими скоростями ухода электронов в процессах диссоциативной рекомбинации и прилипания, к коим относится и атмосферный воздух, с которым работают во многих случаях применения БР. Связано это с тем, что плазма, созданная высоковольтным импульсом, практически полностью нейтрализуется к моменту прихода следующего импульса. Отсутствие же электронов, распределенных в объеме газоразрядной области в достаточном количестве, затрудняет формирование однородного БР.

Важным параметром для режима горения разряда является крутизна нарастания напряжения питания. В ряде работ было отмечено, что фронты импульса питания наносекундного диапазона длительности способствуют реализации режима однородного горения БР [5, 6]. Существует обратная зависимость между E/P и Pτ, где E – напряженность электрического поля в газовом зазоре в момент возникновения импульсного пробоя, P ‒ давление газа, а τ − время формирования пробоя. Например, для воздуха E/P ~ ~ 100 В · см^–1 · (мм рт. ст.)^–1 при Pτ ~ 10^–6 (мм рт. ст.) · с [7]. При наносекундных фронтах, атмосферном давлении и миллиметровом и менее газоразрядном промежутке E ~ 100 кВ/см. При таких больших полях можно ожидать наличия в плазме электронов с энергией несколько десятков электронвольт, что расширяет возможности применения БР, но усложняет физику разряда. При бомбардировке такими электронами поверхности диэлектрика возможно выбивание вторичных электронов и возникновение положительного заряда на поверхности диэлектрика, способного частично сохраниться к приходу следующего импульса питания БР и повлиять на формирование пробоя. Высокое поле приводит к высокой импульсной мощности разряда, а высокая частота импульсов позволяет реализовывать повышенные удельные энерговклады, что заметно интенсифицирует процессы, происходящие в плазме, и, тем самым, сильно повышает эффективность применения БР. Однородность же плазмы повышает ее качество. Поэтому однородный БР с высоким удельным энерговкладом в газах атмосферного давления весьма востребован, но трудно реализуем.

В настоящей работе в экспериментах использовалась коаксиальная конструкция разрядного узла БР со стеклянной трубкой с внешним диаметром 15 мм, а внутренним – 12.3 мм, поверх которой располагался внешний электрод. Диаметр внутреннего цилиндрического электрода выбирался в соответствии с желаемым размером газоразрядного зазора. Разрядный узел размещался в откачиваемой камере в случае работы с газами различного состава и давления.

При подаче на электроды импульса напряжения V в момент пробоя газоразрядного промежутка, согласно граничным условиям, соблюдается равенство электрической индукции на переходе газ–диэлектрик: D_g = D_d. Соответственно, для напряженности поля в газе и диэлектрике имеем E_g = εE_d, где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Отсюда несложно получить, что:

где h_g – величина газоразрядного зазора, а h_d – толщина диэлектрика.

При достижении E_g статического уровня пробоя и дальнейшем росте начинается ускоряющееся по времени формирование нарастающего тока разряда, заряжающего емкость диэлектрического барьера. Из формулы (1) следует, что чем круче фронт нарастания импульса напряжения V, тем больше превышение E_g над статическим уровнем по истечении времени формирования τ пробоя. Если это превышение достаточно большое и достигается за время, меньшее, чем характерное время длительности микроразрядов при неоднородном разряде, то некоторые различия условий пробоя в разных точках газоразрядного промежутка нивелируются и можно ожидать зажигания однородного разряда. Таким образом, ключевым параметром импульсного источника питания БР для реализации режима однородного горения является крутизна импульса напряжения. При этом нужно обеспечить достаточно высокие уровни напряжения и тока, а также высокую частоту импульсов для достижения высоких удельных энерговкладов.

В данной работе для питания БР был применен высоковольтный генератор импульсов с крутым фронтом, подобный генератору, использованному для питания лазера на парах меди из работы [8]. Он удовлетворяет изложенным выше требованиям, но предполагает хорошее согласование с нагрузкой для работы на высоких частотах. Связано это с тем, что генератор, по сути, является индуктивным генератором, выдающим в импульсе заданную порцию энергии. И если она не полностью потребляется, то происходит отражение импульса от нагрузки, что сбивает работу генератора. БР же является емкостной нагрузкой и, помимо энергии, выделенной в разрядном промежутке, примет лишь энергию заряда небольшой емкости диэлектрического барьера, что в сумме, как правило, значительно меньше энергии импульса. Для решения этой проблемы были применены элементы согласования генератора с БР.

Принципиальная схема питания БР показана на рис. 1.

Генератор, формирующий на выходе, на емкости C₃, импульсы напряжения ~10 кВ с крутым фронтом, работает следующим образом. При коммутации транзистора T на время π(L₀C₁)^1/2 происходит зарядка емкости C₁  до удвоенного выпрямленного сетевого напряжения. На фронте выключения Т открывается блок тиристоров TB, и C₁ разряжается на первичную обмотку трансформатора ST. При этом происходит зарядка емкости C₂ с одновременным насыщением сердечника ST. Далее идет быстрая разрядка C₂ через насыщенную индуктивность вторичной обмотки ST. Для формирования высоковольтного импульса с крутым фронтом используется явление резкого восстановления проводимости диодов при прохождении обратного тока [9]. При резком восстановлении проводимости диодов D энергия, накопленная в индуктивности вторичной обмотки, поступает через насыщающийся дроссель SD₁ на емкость C₃. Следует отметить, что оптимальной емкостью является резонансная емкость C₂ = = C₁/n², где n – коэффициент трансформации ST. При этом во вторичную цепь ST передается 50% энергии емкости C₁. При увеличении C₂ количество передаваемой энергии возрастает, но уменьшаются крутизна фронта и амплитуда импульса напряжения генератора. Это позволяет регулировать параметры выходного импульса под решаемые задачи, что оказалось полезным в экспериментах с БР. Осциллограммы тока вторичной обмотки ST и выходного тока генератора при нагрузке 82 Ом, снятые с помощью трансформатора тока – пояса Роговского, показаны на рис. 2. Генератор может работать на согласованную нагрузку на частотах до ~10 кГц.

Схема питания БР, т.е. генератор с элементами согласования, работает на БР без перегрева элементов генератора на частотах до ~7 кГц. Осциллограммы тока в нагрузке 82 Ом, подключенной к выходу схемы питания вместо БР, приведены на рис. 3.

Выбор элементов согласования определялся следующими соображениями. Насыщение SD должно происходить с задержкой относительно SD₁, чтобы ослабить влияние L и C на формирование выходного импульса генератора. Величины L и C выбираются такими, чтобы четверть периода колебаний контура LC была не больше времени насыщения SD. Емкость C меньше или порядка емкости C₃. При этих условиях отражение импульса от нагрузки на генератор сильно ослабевает, а энергия потребляется нагрузкой и излучается LC-контуром. Колебательный контур LC совместно с индуктивностью контура подключения схемы питания к электродам БР и емкостью диэлектрического барьера определяют вольт-амперные характеристики разряда.

Схема питания БР была апробирована в работе с азотом, аргоном, водородом при атмосферном давлении газа, а также с атмосферным воздухом. Атмосферный воздух, содержащий, помимо основного набора элементов, пары воды, компоненты пыли, многократно ускоряющие уход электронов, является удобным тестовым газом для проверки способности схемы к зажиганию однородного БР. В экспериментах надежно реализовывался мощный однородный разряд со всеми этими газами. При этом, например, при работе с водородом удобнее было использовать C₂ = = 8.0 нФ, так как в этом газе при высоких полях часто возникали поверхностный пробой в узле БР и токи утечки на стенки камеры. В экспериментах с атмосферным воздухом использовался внутренний цилиндрический электрод длиной 18 мм, диаметром 10 мм, соответственно газоразрядный зазор h_g = 1.15 мм. Расчетная емкость диэлектрического барьера ~30 пФ. Осциллограммы тока разряда в воздухе и фотографии зоны БР при питании от генератора и от схемы питания с частотой импульсов 5 кГц показаны на рис. 4.

Хорошо видно, что применение элементов согласования переводит режим горения разряда из неоднородного с микроразрядами в однородное, при этом многократно увеличивается мощность БР. При питании БР от генератора на частоте 5 кГц возможна была лишь кратковременная работа из-за нарастающего разогрева элементов генератора.

Представленная схема питания позволяет осуществлять однородный БР с высоким удельным энерговкладом в газах различного состава и давления для решения широкого круга задач. Особенно ценна возможность зажигания однородного БР в газах высокого давления.

Работа выполнена в рамках Соглашения о сотрудничестве между Физическим институтом им. П.Н. Лебедева и Сыктывкарским государственным университетом им. Питирима Сорокина.