RU2343650C2 - Method of making high-enthalpy gas jet based on pulsed gas discharge - Google Patents
Method of making high-enthalpy gas jet based on pulsed gas discharge Download PDFInfo
- Publication number
- RU2343650C2 RU2343650C2 RU2007103244/06A RU2007103244A RU2343650C2 RU 2343650 C2 RU2343650 C2 RU 2343650C2 RU 2007103244/06 A RU2007103244/06 A RU 2007103244/06A RU 2007103244 A RU2007103244 A RU 2007103244A RU 2343650 C2 RU2343650 C2 RU 2343650C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- discharge
- pulse
- gas
- gap
- voltage
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Известны способы плазменного поджига топлива, направленные на повышение эффективности сгорания рабочей смеси в камерах двигателей внутреннего сгорания. При этом для создания плазмы используют различные физические процессы. В патенте DE 10037536 для инициации горения используют неравновесную плазму высокочастотного разряда. В патентах RU 2099584 и US 6883507 для тех же целей используют коронный разряд. Недостатком указанных способов является относительно низкая приведенная напряженность электрического поля в области основного энерговклада, что приводит к потере энергетической эффективности при их использовании.Known methods for plasma ignition of fuel, aimed at increasing the efficiency of combustion of the working mixture in the chambers of internal combustion engines. At the same time, various physical processes are used to create plasma. DE 10037536 uses a nonequilibrium high-frequency discharge plasma to initiate combustion. In the patents RU 2099584 and US 6883507 for the same purposes use a corona discharge. The disadvantage of these methods is the relatively low reduced electric field strength in the region of the main energy input, which leads to a loss of energy efficiency when using them.
Известны источники плазменной струи - плазмотроны на основе дугового разряда, которые используются как для розжига и стабилизации горения пылеугольных котлов (RU 227379), так и для других технологических целей: металлизации поверхности, сварки или резки металла и т.п. (RU 2111098, RU 2211257).Sources of a plasma jet are known — arc-based plasmatrons that are used both for ignition and stabilization of combustion of pulverized coal boilers (RU 227379), and for other technological purposes: surface metallization, welding or metal cutting, etc. (RU 2111098, RU 2211257).
Недостатками известных конструкций плазмотронов являются низкий ресурс работы и высокое энергопотребление из-за использования дугового разряда, что приводит к перегреву системы электродов, ее эрозии и разрушению.The disadvantages of the known constructions of plasmatrons are a low service life and high energy consumption due to the use of an arc discharge, which leads to overheating of the electrode system, its erosion and destruction.
Этот недостаток уменьшен в плазмотроне со стабилизированным слаботочным дуговым разрядом (RU №2111098, №2112635, ЕР №0919317 А1, США №6087616, №6156994, AU №736916). В этом изобретении используется режим переходного электрического разряда постоянного тока со стабилизацией по току для достижения высокой напряженности электрического поля в канале разряда и снижения тепловой нагрузки и эрозии при сохранении высокой температуры выходной плазменной струи. Для решения этой задачи используют инверторный источник питания постоянного тока с жесткой выходной характеристикой. При этом электрический разряд стабилизируется при типичном напряжении около 1 кВ/см при токе единицы ампер, что обеспечивает высокую энергию плазменного канала при низком износе электродов. Изобретение обеспечивает устойчивую работу плазмотрона в выбранном диапазоне параметров.This disadvantage is reduced in the plasmatron with a stabilized low-current arc discharge (RU No. 2111098, No. 2112635, EP No. 0919317 A1, USA No. 6087616, No. 6156994, AU No. 736916). This invention uses a constant current transient electric discharge mode with current stabilization to achieve a high electric field strength in the discharge channel and to reduce heat load and erosion while maintaining the high temperature of the output plasma jet. To solve this problem, an inverter DC power source with a hard output characteristic is used. In this case, the electric discharge stabilizes at a typical voltage of about 1 kV / cm at a unit current of amperes, which provides high plasma channel energy with low electrode wear. The invention provides stable operation of the plasma torch in a selected range of parameters.
Описанный выше плазмотрон имеет ограниченное применение, так как не предназначен для работы с горючими смесями, не допускает работы без дополнительного внешнего электрода и не допускает изменения диапазона внешнего давления (1-30 атм), характерного для камер сгорания.The plasmatron described above is of limited use, since it is not designed to work with combustible mixtures, does not allow operation without an additional external electrode, and does not allow changing the range of external pressure (1-30 atm) characteristic of combustion chambers.
Появление способных к быстрой коммутации мощных транзисторов и тиристоров позволило развить разнообразные емкостные разрядные системы зажигания. В отличие от более медленных по своей природе (обычно 60-200 микросекунд время нарастания) и с большей длительностью (обычно 1-2 миллисекунды) выходных импульсов системы зажигания с индукционной катушкой, емкостные разрядные системы обеспечивают более быстрое нарастание (1-50 микросекунд) и короткую длительность (5-500 микросекунд). Системы зажигания с быстрым нарастанием импульсов являются менее подверженными пропускам зажигания из-за неисправностей свечи зажигания. Современные индукционные и емкостные разрядные системы обеспечивают 5-100 миллиджоулей (мJ) электрической энергии на импульс в диапазоне пикового выходного напряжения 20000-30000 вольт. Современные подходы к улучшению воспламенения направлены на эмпирическую оптимизацию геометрии электродов, ориентацию и размещение внутри камеры сгорания, а также на увеличение длительности и/или пространственного распределения плазменного ядра. Известные системы с улучшенным зажиганием обычно работают с высокими уровнями энергии, в диапазоне от 60 мJ до нескольких джоулей на импульс. Такие системы могут обеспечивать один долгодлящийся тлеющий разряд или дуговой разряд низкого тока, или последовательность нескольких коротких разрядов с эффективной длительностью ядра зажигания от 2 до 10 миллисекунд. Лучшее пространственное распределение ядра наиболее часто достигается использованием более широкого разрядного промежутка. Это требует, чтобы система зажигания была способна постоянно получать более высокое напряжение, необходимое для пробоя промежутка. Для этого в патенте US 4677960 используют электронную схему удвоения импульса напряжения на разрядном промежутке.The advent of high-power transistors and thyristors capable of fast switching has allowed the development of a variety of capacitive discharge ignition systems. Unlike slower in nature (usually 60-200 microseconds rise time) and longer (usually 1-2 milliseconds) output pulses of the ignition system with an induction coil, capacitive discharge systems provide faster rise (1-50 microseconds) and short duration (5-500 microseconds). Rapid pulse boost ignition systems are less susceptible to misfire due to malfunction of the spark plug. Modern induction and capacitive discharge systems provide 5-100 millijoules (mJ) of electrical energy per pulse in the range of peak output voltage 20000-30000 volts. Modern approaches to improving ignition are aimed at empirically optimizing the geometry of the electrodes, orientation and placement inside the combustion chamber, as well as increasing the duration and / or spatial distribution of the plasma core. Known improved ignition systems typically operate with high energy levels, ranging from 60 mJ to several joules per pulse. Such systems can provide one long lasting glow discharge or low current arc discharge, or a sequence of several short discharges with an effective ignition core duration of 2 to 10 milliseconds. The best spatial distribution of the core is most often achieved using a wider discharge gap. This requires that the ignition system be able to constantly receive the higher voltage needed to break through the gap. For this, US Pat. No. 4,677,960 uses an electronic circuit for doubling the voltage pulse across the discharge gap.
В патенте US 4402036 для инициации горения используют эффект пинчевания сильноионизованной плазмы собственным магнитным полем. Процесс создает плазму очень высокой температуры с высокой плотностью энергии (неоптимальными для зажигания параметрами) и сопровождается большим износом электродов.In the patent US 4402036 for the initiation of combustion using the pinching effect of highly ionized plasma with its own magnetic field. The process creates a plasma of very high temperature with a high energy density (non-optimal parameters for ignition) and is accompanied by a large wear of the electrodes.
Эти проблемы решает система для запуска горения по патенту US 4589398, которая оптимизирует как процессы зажигания (воспламенения), так и горения смеси, и повышает эффективность передачи энергии электрического разряда в топливо. Система использует «жесткий искровой разряд» в газе. Термин «жесткий разряд» используется авторами, как относящийся к режиму работы, при котором индуктивность и сопротивление разрядной схемы достаточно низки, чтобы величина тока и скорость выделения энергии в самом канале разряда во время фазы пробоя в достаточной степени управлялись сопротивлением самого канала.These problems are solved by the system for starting combustion according to US Pat. No. 4,589,398, which optimizes both the ignition (ignition) and combustion processes of the mixture, and increases the efficiency of transfer of electric discharge energy to fuel. The system uses a "hard spark discharge" in the gas. The term “hard discharge” is used by the authors as referring to the operating mode in which the inductance and resistance of the discharge circuit are low enough so that the current value and the rate of energy release in the discharge channel itself during the breakdown phase are sufficiently controlled by the resistance of the channel itself.
Такой экстремальный режим работы характеризуется высокой эффективностью передачи (80-95%) первоначально запасенной электрической схемой энергии в первой половине цикла разрядного тока, во время различных переходных процессов, связанных с формированием и расширением газового разряда. Авторы отмечают, что в режиме жесткого разряда внутри пробойной фазы разряда (обычно в первые несколько десятков наносекунд) выделяется наибольшая часть энергии импульса, обеспечивая при этом максимальную передачу мощности управляющей схемы до момента быстрого падения нагрузочного импеданса разрядного канала. Процесс жесткого разряда очень устойчив по природе и способен обеспечивать стабильную работу двигателя при подаче ультрабедных смесей.This extreme mode of operation is characterized by high transmission efficiency (80-95%) of the initially stored energy circuitry in the first half of the discharge current cycle, during various transients associated with the formation and expansion of a gas discharge. The authors note that in the hard discharge mode, the largest part of the pulse energy is released inside the breakdown phase of the discharge (usually in the first few tens of nanoseconds), while ensuring maximum transfer of the power of the control circuit until the load impedance of the discharge channel drops rapidly. The hard discharge process is very stable in nature and is able to provide stable engine operation when ultra-lean mixtures are fed.
Указанный способ выбираем за прототип. Способ осуществляется следующим образом. К разрядному промежутку, образованному электродами, от внешнего источника с индуктивностью L, емкостью С и активным сопротивлением R прикладывают высокое напряжение, превышающее примерно на 20% пробойное напряжение разрядного промежутка. При этом для реализации «жесткого» разряда должно выполняться следующее условие:The specified method is selected for the prototype. The method is as follows. A high voltage is applied to the discharge gap formed by the electrodes from an external source with inductance L, capacitance C, and resistance R, which exceeds the breakdown voltage of the discharge gap by about 20%. In this case, to implement a “hard” discharge, the following condition must be fulfilled:
где tm - момент времени в наносекундах, в который скорость нарастания тока максимальна;where tm is the instant in nanoseconds at which the current rise rate is maximum;
Rm - сопротивление разрядного канала в момент tm (в омах);Rm is the resistance of the discharge channel at time tm (in ohms);
С - емкость в нанофарадах;C is the capacity in nanofarads;
L - индуктивность (в наногенри);L is the inductance (in nanogenry);
lg - длина разрядного промежутка (см).lg is the length of the discharge gap (cm).
Из экспериментальных данных, приведенных в литературе, можно получить следующее экспериментальное приближение времени формирования канала:From the experimental data presented in the literature, one can obtain the following experimental approximation of the channel formation time:
где tm - в наносекундах;where tm is in nanoseconds;
E0 - напряженность поля пробоя в кВ/см;E 0 is the breakdown field strength in kV / cm;
P/P0 - отношение давления газа в зазоре к атмосферному давлению.P / P 0 is the ratio of the gas pressure in the gap to atmospheric pressure.
В патенте приведены параметры режима «жесткого» разряда на открытом воздухе. Разряд носит резковыраженный апериодический характер с длительностью импульса тока от 20 до 50 нс и длительностью фронта - от 10 до 20 нс. Экспериментальные результаты с очень жесткими разрядами на воздухе в линейном промежутке при условиях низкого перенапряжения, для которых Е0 составляет около 25 кВ/см, показали, что при этих условиях оптимальными критериями для достижения критически затухающего апериодического разряда являются приблизительноThe patent describes the parameters of the mode of "hard" discharge in the open air. The discharge has a pronounced aperiodic character with a current pulse duration of 20 to 50 ns and a front duration of 10 to 20 ns. Experimental results with very hard discharges in air in a linear gap under low overvoltage conditions, for which E 0 is about 25 kV / cm, showed that under these conditions the optimal criteria for achieving a critically decaying aperiodic discharge are approximately
Указанный способ устанавливает требования к параметрам устройства емкостного накопителя энергии и к параметрам схемы, формирующей напряжение на разрядном промежутке в зависимости от величины разрядного промежутка и давления в нем для реализации режима апериодического разряда.The specified method establishes requirements for the parameters of the device of a capacitive energy storage device and for the parameters of the circuit forming the voltage at the discharge gap depending on the size of the discharge gap and the pressure in it for the implementation of the aperiodic discharge mode.
Недостатком способа является то, что он не учитывает времена развития разряда при изменении давления и температуры газа, ограничивается только условиями ДВС, жестко связывает длительность нарастания импульса с его общей длительностью. Кроме того, скорости нарастания импульса все еще низки для того, чтобы не допускать повреждения электродов.The disadvantage of this method is that it does not take into account the development times of the discharge when the pressure and temperature of the gas change, it is limited only by the conditions of the internal combustion engine, it rigidly connects the duration of the pulse rise with its total duration. In addition, the slew rate is still low in order to prevent damage to the electrodes.
Таким образом, существует задача дальнейшей оптимизации параметров разряда, повышающих эффективность передачи энергии от внешней электрической цепи газу, с учетом изменений таких условий процесса, как давление газа, температура, плотность газа. Эта задача в последнее время в связи с развитием высоких технологий стала особенно актуальной для создания различных плазмохимических устройств, основанных на передаче электрической энергии газу (плазмотроны, плазменно-топливные форсунки и другие).Thus, the task is to further optimize the discharge parameters, which increase the efficiency of energy transfer from an external electric circuit to gas, taking into account changes in process conditions such as gas pressure, temperature, and gas density. Recently, this task in connection with the development of high technologies has become especially urgent for the creation of various plasma-chemical devices based on the transfer of electric energy to gas (plasmatrons, plasma-fuel nozzles, and others).
Техническим результатом изобретения является расширение диапазона применения способа за счет возможности учета различных условий, при которых происходит указанный процесс, оптимизация таких параметров, как однородность заполнения плазмой разрядного промежутка и увеличение степени диссоциации газа в разряде.The technical result of the invention is to expand the range of application of the method due to the possibility of taking into account various conditions under which the specified process occurs, optimization of parameters such as uniformity of filling of the discharge gap with plasma and increase in the degree of gas dissociation in the discharge.
Для решения указанной задачи высокоэнтальпийная газовая струя, как и в прототипе, создается на основе импульсного газового разряда в наносекундном диапазоне длительностей путем приложения к разрядному промежутку высоковольтного импульсного напряжения.To solve this problem, a high-enthalpy gas jet, as in the prototype, is created on the basis of a pulsed gas discharge in the nanosecond range of durations by applying a high-voltage pulse voltage to the discharge gap.
В отличие от прототипа разряд производится при значительном перенапряжении (в 2-10 раз), при этом амплитуду U (В), время нарастания переднего фронта импульса τф (с) и длительность импульса τ (с) выбирают из соотношений:Unlike the prototype, the discharge is produced at a significant overvoltage (2-10 times), while the amplitude U (B), the rise time of the leading edge of the pulse τ f (s) and the pulse duration τ (s) are selected from the relations:
а частоту повторения импульсов f (с-1) выбирают в диапазоне:and the pulse repetition rate f (s -1 ) is selected in the range:
где L - размер межэлектродного промежутка, (см);where L is the size of the interelectrode gap, (cm);
n - концентрация молекул в единице объема разрядной секции, (см-3);n is the concentration of molecules in a unit volume of the discharge section, (cm -3 );
R - сопротивление подводящей линии (Ом);R is the resistance of the supply line (Ohm);
С - емкость разрядного промежутка (Ф);C is the capacity of the discharge gap (F);
V - скорость движения газа в разрядном промежутке, (см/с).V is the gas velocity in the discharge gap, (cm / s).
Для сходных с прототипом внешних условий эти зависимости дают импульс со значительно меньшим временем нарастания, не связанным с общей длительностью импульса. Кроме того, приведенные зависимости позволяют рассчитать параметры процесса для различных условий, тогда как зависимости, определяющие проведение способа по прототипу, не учитывают давление газа и его температуру. Увеличение перенапряжения ведет к смене типа разряда. В предлагаемом способе осуществляется импульсно-периодический газовый разряд при высоком и сверхвысоком перенапряжении, а в прототипе используется разряд при перенапряжении 10-20%.For external conditions similar to the prototype, these dependences give an impulse with a significantly shorter rise time, not related to the total impulse duration. In addition, the above dependencies allow you to calculate the process parameters for various conditions, while the dependencies that determine the implementation of the prototype method do not take into account the gas pressure and its temperature. An increase in overvoltage leads to a change in the type of discharge. In the proposed method, a pulse-periodic gas discharge is carried out at high and ultra-high overvoltage, and the prototype uses a discharge at an overvoltage of 10-20%.
Уменьшение времени нарастания импульса повышает однородность разряда, а увеличение длительности импульса увеличивает степень диссоциации газа в разряде, что в совокупности приводит к повышению эффективности инициации горения при равных затратах электрической энергии.Reducing the rise time of the pulse increases the uniformity of the discharge, and increasing the duration of the pulse increases the degree of dissociation of the gas in the discharge, which together leads to an increase in the efficiency of combustion initiation with equal expenditures of electric energy.
Способ позволяет достаточно просто регулировать температуру плазменной струи путем изменения частоты следования импульсов в указанном выше диапазоне.The method allows you to simply control the temperature of the plasma jet by changing the pulse repetition rate in the above range.
Таким образом достигается высокая эффективность передачи энергии при высоких Е/n, что с учетом экспоненциальной зависимости скорости диссоциации и ионизации газа электронным ударом от приведенной напряженности поля обеспечивает наилучшую суммарную эффективность работы соответствующих устройств.Thus, a high energy transfer efficiency is achieved at high E / n, which, taking into account the exponential dependence of the dissociation rate and gas ionization by electron impact on the reduced field strength, provides the best overall efficiency of the corresponding devices.
Далее, для объяснения процессов, происходящих при реализации указанного способа, а также его преимуществ на основе теорий развития разряда в газе и на основе экспериментальных данных, приведены фиг.1-11, на которых представлено: на фиг.1 приведена схема, иллюстрирующая стадии развития импульсно-периодического разряда, на фиг.2 приведены области различных механизмов пробоя, на фиг.3 представлена возможная конструкция разрядного плазмотрона, на фиг.4 показана схема экспериментальной установки для анализа динамики развития разряда, на фиг.5 показана форма импульса напряжения, на фиг.6 - зависимость скорости стримера от длины разрядного промежутка для линейного участка движения, на фиг.7 приведены амплитудные значения тока в диапазоне, показанном на фиг.6, на фиг.8 (a-f) приведены временные зависимости напряжения, тока и мощности разряда для различных значений длины разрядного промежутка, на фиг.9 схематически показано одно из возможных положений разрядного промежутка в камере сгорания турбореактивного двигателя, а на фиг.10 показан общий вид плазменной струи, генерируемой в соответствии с изобретением при атмосферном давлении, и, наконец, на фиг.11 показаны кривые эффективности передачи энергии электрического импульса газу в зависимости от частоты следования импульсов при различной длительности импульсов.Further, to explain the processes occurring during the implementation of this method, as well as its advantages on the basis of theories of the development of a discharge in gas and on the basis of experimental data, Figs. 1–11 are shown, in which: Fig. 1 is a diagram illustrating the stages of development pulse-periodic discharge, figure 2 shows the area of different mechanisms of breakdown, figure 3 shows a possible design of a discharge plasma torch, figure 4 shows a diagram of an experimental setup for analyzing the dynamics of the development of the discharge, figure 5 on azana is the shape of the voltage pulse, in Fig.6 is the dependence of the speed of the streamer on the length of the discharge gap for the linear section of motion, Fig.7 shows the amplitude of the current in the range shown in Fig.6, Fig.8 (af) shows the time dependence of the voltage , current and discharge power for various values of the length of the discharge gap, figure 9 schematically shows one of the possible positions of the discharge gap in the combustion chamber of a turbojet engine, and figure 10 shows a General view of the plasma jet generated in accordance with tvii with the invention at atmospheric pressure and finally Figure 11 shows the efficiency curves of the electric power transmission pulse gas depending on the pulse repetition frequency at a different pulse duration.
Развитие импульсного наносекундного высоковольтного разряда при сильном перенапряжении и высоком давлении протекает по волновому механизму. Из теории импульсных разрядов известно следующее:The development of a pulsed nanosecond high-voltage discharge under strong overvoltage and high pressure proceeds according to the wave mechanism. From the theory of pulsed discharges, the following is known:
В случае развития пробоя по таунсендовскому механизму объемный заряд одиночной электронной лавины настолько мал, что он не искажает электрического поля в промежутке. Кроме того, выполняется условие самостоятельности разряда, т.е. в результате вторичных процессов на катоде, обусловленных развитием единичной электронной лавины и последующим током положительно заряженных ионов на катод, либо фотоэффектом, должен возникнуть хотя бы один электрон, дающий начало очередной электронной лавине.In the event of a breakdown by the Townsend mechanism, the space charge of a single electron avalanche is so small that it does not distort the electric field in the gap. In addition, the condition for the independence of the discharge, i.e. as a result of secondary processes at the cathode, caused by the development of a single electron avalanche and the subsequent current of positively charged ions to the cathode, or by the photoelectric effect, at least one electron should arise, giving rise to another electron avalanche.
Говоря о развитии разряда по таунсендовскому механизму, обычно выделяют несколько временных этапов: стадию лавинных генераций, на которой нарастание тока обусловлено развитием следующих друг за другом электронных лавин (концентрация заряженных частиц на этой стадии не превышает 1011 см-3); распространение ионизационных волн, сопровождающихся фронтом свечения и выравнивающих концентрацию заряженных частиц по длине зазора (на данном этапе концентрация заряженных частиц вырастает на два порядка и составляет до 1013 см-3) и фазу объемного горения разряда.Speaking about the development of the discharge according to the Townsend mechanism, several time stages are usually distinguished: the stage of avalanche generation, in which the increase in current is due to the development of successive electron avalanches (the concentration of charged particles at this stage does not exceed 10 11 cm -3 ); the propagation of ionization waves, accompanied by a glow front and equalizing the concentration of charged particles along the length of the gap (at this stage, the concentration of charged particles grows by two orders of magnitude up to 10 13 cm -3 ) and the phase of the volumetric burning of the discharge.
Стадия развития ионизационных волн в тлеющем разряде изучалась как экспериментально по регистрации излучения разряда, так и с помощью численного моделирования. В процессе одномерного численного моделирования развития тлеющего разряда в водороде при давлении 500 Top, межэлектродном зазоре 2 см, напряженности поля 19.84 кВ/см и перенапряжении 0.2% уравнения непрерывности для электронной и ионной компоненты решались совместно с уравнением Пуассона и уравнением электрической цепи. Начальное число инициирующих электронов составляло 102, коэффициент вторичной эмиссии был равен γ=8.34·10-4, коэффициент размножения электронов µ=γ(ехр(αd-1))=1.111. Было показано, что в течение первых 30 мкс после «включения» электрического поля поле практически не искажается пространственным зарядом. Затем вблизи анода оно начинает ослабляться, а в остальных областях усиливаться. Через 30 мкс наблюдается усиление поля возле анода, что ведет к распространению катодонаправленной волны ионизации. Скорость движения ионизационной волны составила 2.8·107 см/с, что в пять раз выше дрейфовой скорости электронов во внешнем приложенном поле. После прохождения одной или нескольких волн ионизации зажигается объемный тлеющий разряд.The stage of development of ionization waves in a glow discharge was studied both experimentally by detecting discharge radiation and using numerical simulation. In the process of one-dimensional numerical simulation of the development of a glow discharge in hydrogen at a pressure of 500 Top, an interelectrode gap of 2 cm, a field strength of 19.84 kV / cm and an overvoltage of 0.2%, the continuity equations for the electronic and ionic components were solved together with the Poisson equation and the equation of the electric circuit. The initial number of initiating electrons was 10 2 , the secondary emission coefficient was γ = 8.34 · 10 -4 , and the electron multiplication factor was μ = γ (exp (αd-1)) = 1.111. It was shown that during the first 30 μs after the "inclusion" of the electric field, the field is practically not distorted by the space charge. Then, near the anode, it begins to weaken, and in other areas it intensifies. After 30 μs, a field amplification near the anode is observed, which leads to the propagation of a cathodic ionization wave. The velocity of the ionization wave was 2.8 · 10 7 cm / s, which is five times higher than the drift velocity of electrons in an external applied field. After the passage of one or more ionization waves, a volume glow discharge is ignited.
В условиях, когда пробой развивается по стримерному механизму, нет однозначного мнения по поводу того, какую стадию развития называть волной ионизации. На основании обработки результатов для пробоя в водороде при давлении 460 Toop, длине зазора 2 см и приведенном электрическом поле 23.5 В/(см. Торр) построена схема развертки свечения стримерного пробоя во времени, воспроизведенная на Фиг.1. Первичная лавина развивается с катода со скоростью дрейфа 8.5·106 см/с. Через 180 нс число носителей заряда в ней достигает критического значения, и по направлению к электродам разрядной системы распространяются анодный (АС) и катодный (КС) стримеры. После перекрытия промежутка стримерным каналом возбуждается ряд волн ионизации (ВИ), выравнивающих проводимость по длине канала. Скорость последующих волн больше скорости предыдущих и может достигать величин 109 см/с. На Фиг.1 фронт термической ионизации обозначен как ФТИ.Under conditions when the breakdown develops according to the streamer mechanism, there is no unequivocal opinion about what stage of development is called the ionization wave. Based on the processing of the results for breakdown in hydrogen at a pressure of 460 Toop, a gap length of 2 cm, and a reduced electric field of 23.5 V / (see Torr), a sweep diagram of the glow streamer breakdown in time is constructed, which is reproduced in Fig. 1. The primary avalanche develops from the cathode with a drift velocity of 8.5 · 10 6 cm / s. After 180 ns, the number of charge carriers in it reaches a critical value, and anode (AS) and cathode (CS) streamers propagate towards the electrodes of the discharge system. After the gap is blocked by the streamer channel, a series of ionization waves (VI) are excited, aligning the conductivity along the channel length. The speed of subsequent waves is greater than the speed of the previous ones and can reach 10 9 cm / s. 1, the front of thermal ionization is designated as the Physicotechnical Institute.
Иногда под волной ионизации понимается распространение стримера вообще, т.е. прорастание плазменного канала в область слабого внешнего поля. Авторы аргументируют подобный подход тем, что радиус прорастающего стримерного канала существенно меньше его длины, и структура головки стримера меняется со временем достаточно медленно для того, чтобы можно было говорить о ее квазистационарном изменении. Главными процессами, определяющими распространение подобной волны, являются ионизация и дрейф электронов в поле, обеспечивающий обнажение ионов, образование пространственного заряда и перераспределение электрического поля.Sometimes an ionization wave refers to the propagation of a streamer in general, i.e. germination of the plasma channel in the region of a weak external field. The authors argue this approach by the fact that the radius of the growing streamer channel is much smaller than its length, and the structure of the streamer head changes slowly enough over time so that we can talk about its quasistationary change. The main processes that determine the propagation of such a wave are ionization and electron drift in the field, which ensures the exposure of ions, the formation of a space charge and the redistribution of the electric field.
Распространение стримера как волны ионизации в достаточно грубом одномерном приближении может быть описано системой уравнений, включающей уравнения непрерывности для электронов и ионов и уравнение Пуассона для электрического поля.The propagation of a streamer as an ionization wave in a sufficiently rough one-dimensional approximation can be described by a system of equations that includes continuity equations for electrons and ions and the Poisson equation for the electric field.
Возьмем типичные для стримера величину электрического поля Еm=90 кВ/см, радиус канала rm~0.1 см и начальную концентрацию электронов n0=106 см-3. Подвижность электронов равна µe~270 см2/(В·с); величину nm~2·1013 см-3 можно оценить, проинтегрировав по пространству уравнение непрерывности. В конечном итоге оценка для скорости волны ионизации (т.е. для развивающегося стримера) дает vc~5·108 см/с.Let us take the magnitude of the electric field, typical for the streamer, E m = 90 kV / cm, the channel radius r m ~ 0.1 cm and the initial electron concentration n 0 = 10 6 cm -3 . The electron mobility is µ e ~ 270 cm 2 / (V · s); the value of n m ~ 2 · 10 13 cm -3 can be estimated by integrating the continuity equation over space. Ultimately, an estimate for the ionization wave velocity (i.e., for a developing streamer) gives v c ~ 5 · 10 8 cm / s.
Далее рассмотрим высокоскоростную волну ионизации как разновидность импульсного разряда при высоком перенапряжении.Next, we consider a high-speed ionization wave as a kind of pulsed discharge at high overvoltage.
Здесь и далее будем понимать под словом «пробой» процессы образования заряженных частиц в промежутке и распространения ионизированной области от одного электрода к другому при подаче на электроды разрядной системы постоянного либо импульсного напряжения. В этом случае можно выделить три физически различных типа пробоя в диапазоне средних давлений (от долей Торр до сотен Торр).Hereinafter, we mean by the word “breakdown” the processes of formation of charged particles in the gap and the propagation of the ionized region from one electrode to another when a constant or pulse voltage is applied to the electrodes of the discharge system. In this case, three physically different types of breakdown can be distinguished in the range of average pressures (from fractions of Torr to hundreds of Torr).
Приложим напряжение к электродам заполненного газом промежутка. Если напряжение повышалось медленно, при определенной его величине в промежутке загорится тлеющий разряд. Данный разряд развивается по таунсендовскому механизму пробоя, который определяется, в первую очередь, эффективностью ионизации и вторичной эмиссией с поверхности катода. Таунсендовский пробой, как правило, диффузно охватывает весь объем разрядного промежутка.We apply voltage to the electrodes of the gap filled with gas. If the voltage increased slowly, at a certain value in the gap, a glow discharge will light up. This discharge develops according to the Townsend breakdown mechanism, which is determined, first of all, by the ionization efficiency and secondary emission from the cathode surface. The Townsend breakdown, as a rule, diffusely covers the entire volume of the discharge gap.
При импульсном пробое промежуток может выдерживать перенапряжение, превышающее пробивное. По сути, в этих условиях перенапряжение K=U/Uвч (Uвч - напряжение пробоя) наряду с параметром pd (p - давление, d - длина межэлектродного промежутка) определяет механизм пробоя. В случае перенапряжений в десятки процентов пространственный заряд одиночной электронной лавины увеличивается настолько, что поле внутри лавины становится сравнимо с внешним полем, а поле на головке и хвосте лавины оказывается усиленным. В итоге пробой развивается по стримерному механизму: к одному из электродов (либо одновременно к двум) со скоростью 107-108 см/с распространяются слабопроводящие образования малого диаметра. Выделение энергии в узкий канал, перемкнувший промежуток, ведет к формированию искрового разряда. Кривая, разделяющая области развития пробоя в воздухе по таунсендовскому и стримерному механизмам, воспроизведена на фиг.2, где ТР - область Таунсендовского разряда.With pulsed breakdown, the gap can withstand overvoltages exceeding breakdown voltage. In fact, under these conditions, the overvoltage K = U / U rf (U rf is the breakdown voltage) along with the parameter pd (p is the pressure, d is the length of the interelectrode gap) determines the breakdown mechanism. In the case of tens of percent voltages, the space charge of a single electron avalanche increases so much that the field inside the avalanche becomes comparable to an external field, and the field on the head and tail of the avalanche is amplified. As a result, the breakdown develops according to the streamer mechanism: weakly conducting formations of small diameter propagate to one of the electrodes (or simultaneously to two) at a speed of 10 7 -10 8 cm / s. The release of energy into a narrow channel that bridged the gap leads to the formation of a spark discharge. The curve dividing the development regions of the breakdown in the air by the Townsend and streamer mechanisms is reproduced in Fig. 2, where TP is the region of the Townsend discharge.
В случае более высоких перенапряжений (сотни процентов) пробой вновь приобретает диффузный характер свечения, но по иным физическим причинам: при достаточно высоких напряженностях приведенного электрического поля во фронте пробоя часть электронов будет переходить в режим непрерывного ускорения (так называемое убегание электронов), способствуя однородной по объему предионизации во фронте. При этом пробой будет развиваться от высоковольтного электрода к низковольтному с характерной скоростью несколько см/нс и более.In the case of higher overvoltages (hundreds of percent), the breakdown again acquires a diffuse glow pattern, but for other physical reasons: at sufficiently high electric field strengths in the breakdown front, some of the electrons will go into continuous acceleration (the so-called runaway electrons), contributing to a uniform the volume of preionization in the front. In this case, the breakdown will develop from a high-voltage electrode to a low-voltage one with a characteristic speed of several cm / ns or more.
Следует отметить, что четкой границы между стримером и пространственно однородным наносекундным пробоем не существует: если Таунсендовский пробой отличается наличием вторичной эмиссии с катода, то основными элементарными процессами, отвечающими за развитие как стримерного, так и наносекундного пробоя, являются фотоионизация газа, в случае достаточно высоких полей - предионизация быстрыми электронами, и ионизация электронным ударом за фронтом пробоя. Горизонтальной прямой на фиг.2 отмечен порог убегания электронов. Он определяется из баланса энергии электронов. Для нерелятивистского электрона сила его торможения в газе определяется плотностью молекул газа N0, числом электронов в молекуле Z, их кинетической энергией ε=mv2/2 и средней энергией неупругих потерь I. Если электрическое поле превышает критическую величину Ecrit=Fm/e, электрон начинает непрерывно набирать энергию при движении вдоль оси х. На основе анализа зависимости потерь энергии на единице пути от энергии электронов показано существование верхней границы по параметру E/N для стримерного механизма пробоя в газах. В качестве оценки критической величины средней напряженности поля предлагается Ecrit=(1/f)(dε/dx)m tot, где (dε/dx)m tot - максимум кривой потерь энергии электронами, f - коэффициент усиления поля вблизи пространственного заряда. В этом случае в азоте атмосферной плотности получим Ecrit~300 кВ/см.It should be noted that a clear boundary between the streamer and a spatially uniform nanosecond breakdown does not exist: if the Townsend breakdown is characterized by the presence of secondary emission from the cathode, then the main elementary processes responsible for the development of both streamer and nanosecond breakdown are gas photoionization, in the case of sufficiently high fields - preionization by fast electrons, and ionization by electron impact behind the breakdown front. The horizontal line in figure 2 marks the runaway threshold of electrons. It is determined from the balance of electron energy. For nonrelativistic electron its braking force is determined by the gas molecules of the gas density N 0, the number of electrons in the molecule Z, the kinetic energy of ε = mv 2/2 and a mean energy losses inelastic I. If the electric field exceeds a critical value E crit = F m / e , the electron begins to continuously gain energy when moving along the x axis. Based on the analysis of the dependence of energy losses per unit path on electron energy, the existence of an upper boundary in the E / N parameter for the streamer breakdown mechanism in gases is shown. As an estimate of the critical value of the average field strength, E crit = (1 / f) (dε / dx) m tot , where (dε / dx) m tot is the maximum of the electron energy loss curve, f is the field gain near the space charge. In this case, in atmospheric density nitrogen, we obtain E crit ~ 300 kV / cm.
Таким образом, высокие электрические поля на фазе формирования разряда способствуют повышению однородности плазмы и увеличивают объем газа, возбуждаемый разрядом.Thus, high electric fields in the phase of the formation of the discharge increase the uniformity of the plasma and increase the volume of the gas excited by the discharge.
В общем случае способ осуществляется следующим образом. Разрядный промежуток длиной L образован наружным электродом 1 и внутренним электродом 2, разделенными диэлектриком 3 (Фиг.3). Наружный цилиндрический электрод 1 имеет канал 4 для подачи плазмообразующего газа. Здесь следует отметить, что геометрия электродов может быть и планарная и любой другой формы, и фиг.3 иллюстрирует один из возможных примеров реализации способа. Наружный электрод 1 заземлен, а на внутренний электрод подается импульсное напряжение от источника.In the General case, the method is as follows. The discharge gap of length L is formed by the
В качестве генератора высоких импульсных напряжений может использоваться, например, генератор на основе высокоскоростных полупроводниковых ключей с параметрами: скорость нарастания напряжения на переднем фронте импульса - 5-150 кВ/нс в зависимости от требуемых характеристик импульса; длительность импульса может задаваться в диапазоне 1-100 нс; выходное напряжение может меняться в диапазоне 10-150 кВ на нагрузке 50 Ом.As a generator of high pulse voltages, for example, a generator based on high-speed semiconductor switches can be used with the following parameters: voltage rise rate at the leading edge of the pulse - 5-150 kV / ns depending on the required pulse characteristics; the pulse duration can be set in the range of 1-100 ns; the output voltage can vary in the range of 10-150 kV at a load of 50 ohms.
В зависимости от состава газа в разрядном промежутке и его давления, определяющих концентрацию n газа в разрядном промежутке, и используя условиеDepending on the composition of the gas in the discharge gap and its pressure, which determine the concentration n of gas in the discharge gap, and using the condition
определяют диапазон возможных значений амплитуды напряжения U.determine the range of possible values of the voltage amplitude U.
Данное условие получено из ограничений по приведенной напряженности электрического поля, необходимого для эффективной ионизации газа электронным ударом: 100 Td<E/n<3000 Td. Тогда имеем: E/n=U/(L·n), иThis condition is obtained from the restrictions on the reduced electric field strength necessary for effective ionization of a gas by electron impact: 100 Td <E / n <3000 Td. Then we have: E / n = U / (Ln), and
Время нарастания переднего фронта импульса высокого напряжения τф [с] ограничено условием:The rise time of the leading edge of the high voltage pulse τ f [s] is limited by the condition:
Данное условие (со стороны малых времен) получено из ограничений по частоте, на которой емкость разрядной ячейки шунтирует разряд. Отсюда имеем:This condition (from the side of small times) is obtained from the restrictions on the frequency at which the capacity of the discharge cell shunts the discharge. From here we have:
RC<τф RC <τ f
Со стороны больших времен ограничение получается из условия скорости нарастания напряжения в промежутке. Скорость нарастания должна быть достаточна, чтобы к моменту перекрытия промежутка напряженность поля на нем попала в «эффективный» диапазон. То есть время нарастания до «рабочего» напряжения, ограниченного условием (1), меньше времени пробега волны ионизации через промежуток L. τ=L/V, где V~7·1021U/(n·L) (если оценивать ее по дрейфовой скорости в максимальном поле), и V~5·1023U/(n·L) (если оценивать ее по скорости движения фронта волны в максимальном поле). Учитывая, что скорость в начале процесса равна 0:From the side of large times, the restriction is obtained from the condition of the rate of increase of voltage in the gap. The slew rate should be sufficient so that by the time the gap is closed, the field strength on it falls into the "effective" range. That is, the rise time to the “working” voltage, limited by condition (1), is less than the travel time of the ionization wave through the gap L. τ = L / V, where V ~ 7 · 10 21 U / (n · L) (if we evaluate it by drift velocity in the maximum field), and V ~ 5 · 10 23 U / (n · L) (if we estimate it by the velocity of the wave front in the maximum field). Given that the speed at the beginning of the process is 0:
Длительность импульса высокого напряжения τимп [с] ограничена условием:The duration of the high voltage pulse τ imp [s] is limited by the condition:
Данное условие (со стороны малых времен) получено из ограничений по частоте ионизирующих столкновений: f~1·109 s-1Torr-1 при Е/n=3 kTd. Минимальное время приложения такого поля, очевидно, не может быть меньше характерного времени ионизацииThis condition (from the side of small times) is obtained from the restrictions on the frequency of ionizing collisions: f ~ 1 · 10 9 s -1 Torr -1 at E / n = 3 kTd. The minimum time of application of such a field, obviously, cannot be less than the characteristic ionization time
τ=1/f=10-9 s·Torr=10-9·4·1016/n [s]=4·107/n [s]τ = 1 / f = 10 -9 s · Torr = 10 -9 · 4 · 10 16 / n [s] = 4 · 10 7 / n [s]
Правый предел определяется степенью перегрева канала разряда:The right limit is determined by the degree of overheating of the discharge channel:
νCpΔT=U2/Rτимп νC p ΔT = U 2 / Rτ imp
Примем, что канал разряда представляет собой цилиндр с характерным радиусом r, причем радиус канала определяется его ионизационным расширением в сильном поле:We assume that the discharge channel is a cylinder with a characteristic radius r, and the radius of the channel is determined by its ionization expansion in a strong field:
Eк/n=120Td=U/(n·r)E c / n = 120Td = U / (n · r)
отсюдаfrom here
r=U/(n·Eк/n)r = U / (n · E c / n)
И окончательно:And finally:
τимп=1011LR/n [s]τ imp = 10 11 LR / n [s]
4) частота повторения импульсов f, [с-1] ограничена условием:4) the pulse repetition rate f, [s -1 ] is limited by the condition:
(τимп)-1>f>V/L,(τ imp ) -1 >f> V / L,
где U - амплитуда высоковольтного импульса, [В];where U is the amplitude of the high voltage pulse, [V];
L - размер межэлектродного промежутка, [см],L is the size of the interelectrode gap, [cm],
n - концентрация молекул в единице объема разрядной секции, [см-3].n is the concentration of molecules in a unit volume of the discharge section, [cm -3 ].
R - сопротивление подводящей линии [Ом],R is the resistance of the supply line [Ohm],
С - емкость разрядного промежутка [Ф],C is the capacity of the discharge gap [F],
V - скорость движения газа в разрядной секции, [см/с].V is the gas velocity in the discharge section, [cm / s].
В качестве примера рассмотрим осуществление заявленного способа в режиме разряда в воздухе с протяженного электрода.As an example, we consider the implementation of the inventive method in the discharge mode in air from an extended electrode.
Экспериментальная установка, обеспечивающая возможность комплексной диагностики электрических разрядов, развивающихся в форме стримерного разряда в перенапряженном промежутке, состоит из генератора высоковольтных наносекундных импульсов, системы контроля электрических параметров разряда и системы спектроскопической диагностики плазмы в канале стримера.The experimental setup, which makes it possible to comprehensively diagnose electric discharges developing in the form of a streamer discharge in an overstressed gap, consists of a generator of high-voltage nanosecond pulses, a system for monitoring the electrical parameters of the discharge, and a system for spectroscopic plasma diagnostics in the streamer channel.
Общая схема экспериментальной установки приведена на фиг.4. Используемые в работе генераторы высоких напряжений через маслозаполненный разъем подключаются к волновой линии 5, смонтированной из кабеля РК-50-24-13 длиной 60 м. На расстоянии 30 м от разрядного устройства в разрыв оплетки кабеля вставлен шунт 6 обратного тока, позволяющий контролировать параметры импульсов тока с обоих генераторов. Таким образом, предусмотрено одновременное использование различных генераторов импульсных напряжений (ГИН) с контролем параметров электрических импульсов. Разрядная секция представляет собою традиционную реализацию геометрии игла (высоковольтный электрод 7) - плоскость (низковольтный электрод 8) с возможностью регулировки межэлектродного промежутка в пределах от 0 до 30 см. Низковольтный электрод 8 изготовлен из алюминия в виде диска толщиной 8 и диаметром 550 мм. Высоковольтный электрод 7 выполнен из латуни в виде конуса длиной 300 мм с радиусом закругления на конце 2 мм. Конструкция разрядного устройства позволяет изменять длину разрядного промежутка и его положение относительно базовых поверхностей таким образом, что не возникает необходимости в перенастройке трактов оптической регистрации. Это достигается за счет перемещения верхнего и нижнего электродных узлов по вертикальным направляющим 9, с фиксацией любого промежуточного положения с помощью резьбовых упоров 10. В токоведущих шинах разрядной секции предусмотрены разрывы для включения токовых шунтов 11 прямого и обратного тока, обеспечивающих регистрацию падающего и прошедшего импульсов напряжения. Для независимого контроля тока в разрядном промежутке на диэлектрической части электродной системы смонтирован широкополосный пояс Роговского 12. Монохроматоры 13 и ФЭУ 14 использовались для спектральной диагностики развития разряда.The general scheme of the experimental setup is shown in figure 4. The high voltage generators used in the work are connected through an oil-filled connector to a
В качестве генератора высоких импульсных напряжений используется четырехступенчатый генератор по схеме Маркса. Скорость нарастания напряжения на переднем фронте импульса составляет 0,1-1,5 кВ/нс в зависимости от напряжения на генераторе. Суммарная энергия, выделяющаяся в импульсе, зависит от его длительности, которая может регулироваться в диапазоне 100 нс - 1 мкс.As a generator of high pulsed voltages, a four-stage generator according to the Marx scheme is used. The rate of voltage rise at the leading edge of the pulse is 0.1-1.5 kV / ns, depending on the voltage on the generator. The total energy released in the pulse depends on its duration, which can be adjusted in the range of 100 ns - 1 μs.
Для исследования характеристик одиночного стримерного разряда использовался генератор импульсных напряжений по схеме вращающегося прерывателя в импульсно-периодическом режиме. Исследование проводилось в стандартной геометрии игла - плоскость методами абсолютной эмиссионной спектроскопии в воздухе при атмосферном давлении.To study the characteristics of a single streamer discharge, a pulse voltage generator was used according to the scheme of a rotating chopper in a pulse-periodic mode. The study was carried out in the standard needle-plane geometry by absolute emission spectroscopy in air at atmospheric pressure.
Импульс напряжения (фиг.5), подающийся с генератора по 50-$/Omega$ кабельной линии 5, регистрировался при помощи шунта обратного тока 6. На фиг.5 виден падающий импульс (положительная полярность). Амплитуда падающего импульса составляла Umax=9 кВ, длительность по полувысоте τ1/2=75 нс и время нарастания τinc=25 нс.The voltage pulse (Fig. 5), fed from the generator through 50 - $ / Omega $ of
Относительная объемная наработка активных частиц в разряде в значительной степени зависит от величины межэлектродного промежутка и определяемого им среднего электрического поля в промежутке. При этом, как показали эксперименты в режиме с пространственным разрешением, основная наработка активных частиц в электронно-возбужденных состояниях происходит в головке стримера и в области, непосредственно к ней прилегающей.The relative volume accumulation of active particles in the discharge largely depends on the magnitude of the interelectrode gap and the average electric field in the gap determined by it. Moreover, as shown by experiments in the spatial resolution mode, the main production of active particles in electronically excited states occurs in the streamer head and in the region immediately adjacent to it.
Как видно из фиг.6, скорость стримера возрастает по мере уменьшения промежутка между электродами и изменяется для наших параметров импульса и геометрии установки в диапазоне (2-3.5) 107 см/с. В интервале межэлектродного зазора 6-12 мм наблюдается реализация как стримерного, так и искрового разрядов, т.е. в данном диапазоне время формирования искрового канала сопоставимо с длительностью импульса высокого напряжения.As can be seen from Fig.6, the streamer speed increases with decreasing the gap between the electrodes and changes for our pulse parameters and the installation geometry in the range (2-3.5) 10 7 cm / s. In the interval of the interelectrode gap of 6–12 mm, both streamer and spark discharges are realized, i.e. in this range, the time of formation of the spark channel is comparable with the duration of a high voltage pulse.
Динамика напряжения, тока, мощности и суммарной энергии разряда при положительной и отрицательной полярности импульсного напряжения приведена ниже. На фиг.7 приведены амплитудные значения тока в данном диапазоне. Как видно из фиг.7, минимальная величина зазора, при котором может существовать стримерная (слаботочная) форма разряда, составляет 7 мм при обеих полярностях высоковольтного импульса, что соответствует среднему по промежутку полю Е=Umax/L~19 кВ/см. Максимальная длина промежутка, при которой может реализоваться искровой пробой, сильно зависит от частоты следования импульсов. Так, при частоте следования 50 Гц данная величина составила 9 мм, что соответствует среднему пробойному полю 15 кВ/см, однако уже при частоте 1.2 кГц предельная величина промежутка увеличилась до 12 мм, т.е. пробойное поле составило 11 кВ/см.The dynamics of voltage, current, power, and total discharge energy for positive and negative polarity of the pulse voltage is given below. Figure 7 shows the amplitude values of the current in this range. As can be seen from Fig. 7, the minimum gap at which a streamer (low-current) discharge form can exist is 7 mm for both polarities of the high-voltage pulse, which corresponds to the gap average field E = U max / L ~ 19 kV / cm. The maximum gap length at which spark breakdown can be realized strongly depends on the pulse repetition rate. So, at a repetition rate of 50 Hz, this value was 9 mm, which corresponds to an average breakdown field of 15 kV / cm, but already at a frequency of 1.2 kHz, the limit value of the gap increased to 12 mm, i.e. the breakdown field was 11 kV / cm.
Сдвиг минимальной величины промежутка для реализации исключительно стримерного разряда связан с накоплением активных частиц и частично с локальным нагревом промежутка при увеличении частоты следования импульсов.The shift in the minimum gap for an exclusively streamer discharge is associated with the accumulation of active particles and partially with local heating of the gap with increasing pulse repetition rate.
На фиг.8(а-f) приведены графики, иллюстрирующие динамику напряжения, тока, мощности и суммарной энергии разряда при положительной полярности напряжения, частоте следования импульсов 12 кГц, максимальном напряжении в кабельной линии 8 кВ, длительности высоковольтного импульса по полувысоте 75 нс и длине промежутка 2…50 мм. На Фиг.8а и 8b показаны кривые тока 15, напряжения 16, мощности 17, вложенной в промежуток, и суммарной энергии 18, вложенной в промежуток за время высоковольтного импульса, для промежутка длиной L=2 мм. Аналогично на фиг.8с и 8d показаны кривые тока 19, напряжения 20, мощности 21 и суммарной энергии 22 для промежутка длиной L=7 мм; а на фиг 8е и 8f - графики этих же параметров (тока 23, напряжения 24, мощности 25 и суммарной энергии 26) для длины разрядного промежутка L=20 мм.Fig. 8 (a-f) shows graphs illustrating the dynamics of voltage, current, power, and total discharge energy at a positive voltage polarity, a pulse repetition rate of 12 kHz, a maximum voltage of 8 kV in a cable line, and a half-voltage pulse width of 75 ns and the length of the gap is 2 ... 50 mm. On figa and 8b shows the curves of current 15,
По результатам проведенных исследований сделан вывод, что увеличение длины электрического импульса ограничено переходом в искровую форму разряда, обладающую малым сопротивлением разрядного промежутка. Данный эффект принципиально ограничивает максимальную эффективность вложения энергии в разрядный промежуток при использовании импульсов большой длительности и разрядов постоянного тока. Таким образом, показано, что для обеспечения максимальной эффективности передачи энергии высоковольтного импульса газу необходимо ограничение времени импульса и скорости нарастания напряжения на промежутке.Based on the results of the studies, it was concluded that the increase in the length of the electric pulse is limited by the transition to the spark form of the discharge, which has a low resistance of the discharge gap. This effect fundamentally limits the maximum efficiency of energy input into the discharge gap when using pulses of long duration and direct current discharges. Thus, it is shown that to ensure maximum efficiency of energy transfer of a high-voltage pulse to a gas, it is necessary to limit the pulse time and the voltage rise rate in the gap.
В качестве примера конкретной реализации способа приведем выбор параметров для генератора плазменной струи, работающего по вышеуказанному принципу. Геометрия плазмотрона: L=0.2 см, скорость прокачки газа V=10 м/с, концентрация газа n=5·1019 см-3, электрическая емкость промежутка 1 пФ. Для этих значений амплитуда U [В] разряда ограничена условием:As an example of a specific implementation of the method, we give a selection of parameters for a plasma jet generator operating according to the above principle. The geometry of the plasma torch: L = 0.2 cm, gas flow rate V = 10 m / s, gas concentration n = 5 · 10 19 cm -3 , the electrical capacitance of the gap is 1 pF. For these values, the amplitude of the U [B] discharge is limited by the condition:
3·10-14>U/(L×n)>10-15 3 · 10 -14 > U / (L × n)> 10 -15
U>10 кВ, U<300 кВU> 10 kV, U <300 kV
Можно выбрать любое значение из диапазона, принимаем, например, что генератор обеспечит U=30 кВ при внутреннем сопротивлении 50 Ом.You can choose any value from the range, we take, for example, that the generator will provide U = 30 kV with an internal resistance of 50 ohms.
Время нарастания переднего фронта импульса высокого напряжения τф [с] ограничено условием:The rise time of the leading edge of the high voltage pulse τ f [s] is limited by the condition:
RC<τф<10-24×L2×n/URC <τ f <10 -24 × L 2 × n / U
5·10-11<τф<6·10-9 5 · 10 -11 <τ f <6 · 10 -9
То есть генератор должен обеспечивать время нарастания напряжения не более 6 нс. Длительность импульса высокого напряжения τимп [с] ограничена условием:That is, the generator should provide a voltage rise time of no more than 6 ns. The duration of the high voltage pulse τ imp [s] is limited by the condition:
4·107/n<τимп<1011LR/n4 · 10 7 / n <τ imp <10 11 LR / n
8·10-13<τимп<2·10-8 8 · 10 -13 <τ imp <2 · 10 -8
Максимальная длина импульса составляет 20 нс.The maximum pulse length is 20 ns.
4) частота повторения импульсов f, [с-1] ограничена условием:4) the pulse repetition rate f, [s -1 ] is limited by the condition:
(τимп)-1>f>V/L(τ imp ) -1 >f> V / L
50 МГц>f>5 кГц50 MHz> f> 5 kHz
Таким образом, есть возможность управлять мощностью плазмотрона (температурой газовой струи на выходе) почти на 4 порядка величины - от градусов до нескольких тысяч градусов, поскольку она пропорциональна частоте импульсов.Thus, it is possible to control the power of the plasma torch (temperature of the gas jet at the outlet) by almost 4 orders of magnitude - from degrees to several thousand degrees, since it is proportional to the frequency of the pulses.
Практическое применение заявленный способ может найти, например, в газотурбинных двигателях и горелках для инициирования воспламенения и интенсификации горения рабочей смеси (фиг.9 и 10). Здесь 27, 28 и 29 - жаровые трубы камеры сгорания, 30, 31, 32 - плазменно-топливные форсунки. На фиг.10 показан общий вид плазменной струи, генерируемой плазмотроном при атмосферном давлении. В этом случае поток окислителя (воздух) входит в камеру сгорания после предварительного сжатия компрессором. В камере сгорания поток воздуха перемешивается с топливом и попадает в жаровые трубы 27, 28, 29 (как правило, стехиометрическое отношение топливо/окислитель лежит в диапазоне 0.25-4, хотя и не ограничивается им). Для эффективного воспламенения газа и поддержания горения в режиме малой мощности используется вдув высокоэнтальпийной газовой струи через форсунки 30, 31 и 32 из плазмотрона, в котором высокая эффективность передачи энергии электрического импульса газу достигается за счет оптимизации параметров высоковольтного импульса по предложенным соотношениям. Фиг.11 показывает зависимость эффективности передачи энергии электрического импульса газу при различной длительности (13 нс и 7 нс) и частоте следования импульсов.The claimed method can find practical application, for example, in gas turbine engines and burners for initiating ignition and intensification of the combustion of the working mixture (Figs. 9 and 10). Here 27, 28 and 29 are the flame tubes of the combustion chamber, 30, 31, 32 are the plasma-fuel nozzles. Figure 10 shows a General view of a plasma jet generated by a plasma torch at atmospheric pressure. In this case, the oxidizer stream (air) enters the combustion chamber after preliminary compression by the compressor. In the combustion chamber, the air flow is mixed with fuel and enters the
Claims (2)
а частоту повторения импульсов f, [c-1] выбирают в диапазоне
где L - размер межэлектродного промежутка, [см];
n - концентрация молекул в единице объема разрядной секции, [см-3];
R - сопротивление подводящей линии [Ом];
С - емкость разрядного промежутка [Ф];
V - скорость движения газа в разрядном промежутке, [см/с].1. A method of creating a high-enthalpy gas jet, which consists in supplying a working gas to the discharge gap and exciting a pulsed gas discharge in the nanosecond range of durations by applying high voltage voltage pulses to the discharge gap electrodes, characterized in that the discharge is produced at a significant overvoltage (2-10 times ), the amplitude U [B], the rise time of the leading edge of the pulse τ f [s] and the pulse duration τ imp [s] are selected from the relations
and the pulse repetition rate f, [c -1 ] is selected in the range
where L is the size of the interelectrode gap, [cm];
n is the concentration of molecules in a unit volume of the discharge section, [cm -3 ];
R is the resistance of the supply line [Ohm];
C is the capacity of the discharge gap [F];
V is the gas velocity in the discharge gap, [cm / s].
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007103244/06A RU2343650C2 (en) | 2007-01-26 | 2007-01-26 | Method of making high-enthalpy gas jet based on pulsed gas discharge |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007103244/06A RU2343650C2 (en) | 2007-01-26 | 2007-01-26 | Method of making high-enthalpy gas jet based on pulsed gas discharge |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007103244A RU2007103244A (en) | 2008-08-10 |
| RU2343650C2 true RU2343650C2 (en) | 2009-01-10 |
Family
ID=39745785
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007103244/06A RU2343650C2 (en) | 2007-01-26 | 2007-01-26 | Method of making high-enthalpy gas jet based on pulsed gas discharge |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2343650C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010090545A1 (en) * | 2009-02-05 | 2010-08-12 | Neq Lab Holding Inc. | Formation method of high enthalpy gas jet based on pulse gas discharge |
| RU2804701C1 (en) * | 2022-11-25 | 2023-10-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) | Device for experimental simulation of discharges of red sprites |
-
2007
- 2007-01-26 RU RU2007103244/06A patent/RU2343650C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010090545A1 (en) * | 2009-02-05 | 2010-08-12 | Neq Lab Holding Inc. | Formation method of high enthalpy gas jet based on pulse gas discharge |
| RU2804701C1 (en) * | 2022-11-25 | 2023-10-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) | Device for experimental simulation of discharges of red sprites |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007103244A (en) | 2008-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bochkov et al. | Sealed-off pseudospark switches for pulsed power applications (current status and prospects) | |
| JP4731591B2 (en) | Ignition system and method for generating and sustaining a corona discharge for igniting a combustible gas mixture | |
| US6329628B1 (en) | Methods and apparatus for generating a plasma torch | |
| JPS618470A (en) | Method and apparatus for combustion start of fuel-air mixture of internal combustion engine | |
| US4105952A (en) | High repetition rate pulsed laser discharge system | |
| JP2007507060A (en) | Plasma jet and spark plug | |
| RU2343650C2 (en) | Method of making high-enthalpy gas jet based on pulsed gas discharge | |
| Hnatiuc et al. | Experimental analysis of a double-spark ignition system | |
| RU2516011C1 (en) | Eroding pulse plasma accelerator | |
| Bonazza et al. | RF plasma ignition system concept for lean burn internal combustion engines | |
| WO2010090545A1 (en) | Formation method of high enthalpy gas jet based on pulse gas discharge | |
| Billault et al. | Pseudospark switches | |
| RU58785U1 (en) | HIGH FREQUENCY GENERATOR BASED ON A HOLLOW CATHODE DISCHARGE | |
| Gleizer et al. | Optimization of a low-pressure hollow-anode electrical discharge for generation of high-current electron beams | |
| Pancheshnyi et al. | Ignition of propane-air mixtures by a sequence of nanosecond pulses | |
| OKAHARA | Problems of Plasma Ignition System | |
| Adams et al. | Resonant laser induced breakdown for fuel-air ignition | |
| Krokhmal et al. | Electron beam generation in a diode with a gaseous plasma electron source II: Plasma source based on a hollow anode ignited by a hollow-cathode source | |
| US9681529B1 (en) | Microwave adapting plasma torch module | |
| Liu et al. | Uniform dielectric barrier discharge generation in atmospheric air using nano-second pulses: fast imaging, spectroscopy, and production of active species | |
| Zhang et al. | Array microhollow cathode (MHC) discharges with pretrigger device triggered by nanosecond pulses at atmospheric pressure | |
| Krokhmal et al. | Low-pressure, high-current hollow cathode with a ferroelectric plasma source | |
| Chung et al. | Novel trigger mechanism high-power switch: The electrostatic plasma injection switch | |
| McPhee et al. | The design and testing of an extended lifetime, high voltage, low jitter trigatron for repetitive operation | |
| RU2219626C2 (en) | Electric-discharge kinetic-reaction hf (df) laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090127 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120127 |