RU2499321C1 - Устройство для получения стабильного микроразряда атмосферного давления - Google Patents

Устройство для получения стабильного микроразряда атмосферного давления Download PDF

Info

Publication number
RU2499321C1
RU2499321C1 RU2012120974/07A RU2012120974A RU2499321C1 RU 2499321 C1 RU2499321 C1 RU 2499321C1 RU 2012120974/07 A RU2012120974/07 A RU 2012120974/07A RU 2012120974 A RU2012120974 A RU 2012120974A RU 2499321 C1 RU2499321 C1 RU 2499321C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
discharge
anode
cathode
microdischarge
voltage
Prior art date
Application number
RU2012120974/07A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Михайлович Астафьев
Сергей Евгеньевич Емелин
Анатолий Анатольевич Кудрявцев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)
Priority to RU2012120974/07A priority Critical patent/RU2499321C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2499321C1 publication Critical patent/RU2499321C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к плазменной технике и плазмохимии и может быть использовано для плазменной обработки поверхностей, стерилизации, в спектроскопии, а также при создании плазмохимических реакторов и газоанализаторов. Технический результат - повышение стабилизации тлеющего микроразряда при атмосферном давлении. Результат достигается тем, что разряд зажигается между плоским катодом и анодом, который выполнен в виде тонкой иглы с малым радиусом округления. Заявляемое изобретение позволяет получать стабильный микроразряд достаточно простым и малозатратным способом, который не требует вакуумных установок и не требует внешней инжекции электронов, так как разряд горит в атмосфере и является самостоятельным. Изобретение может быть использовано при создании плазмохимических реакторов и газоанализаторов, а также при плазменном напыления и легировании материалов на участках микронного размера. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к плазменной технике и плазмохимии и может быть использовано для плазменной обработки поверхностей, стерилизации, в спектроскопии, а также при создании плазмохимических реакторов и газоанализаторов.
Известны газоразрядные устройства высокого давления для получения неравновесной плазмы, которые основаны на разных принципах работы. Чаще всего в этих устройствах применяется некоторый дополнительный источник ионизации. В качестве такого источника может выступать либо вспомогательный разряд, либо внешний источник ионизации.
Один из способов получения неравновесной плазмы при высоком давлении описан в [1] и заключается в том, что объемная неравновесная плазма атмосферного давления создается в трехэлектродной системе тлеющего разряда, которая включает в себя двухсекционную разрядную камеру, три электрода, источник питания, систему подачи и отвода газа.
Известно также реализуемое в [2] газоразрядное устройство с полым катодом, состоящее из камеры, в которую помещены два плоских электрода анод и катод, разделенные диэлектриком толщиной примерно 200 микрон, с отверстием диаметром порядка толщины диэлектрика, и третий электрод-анод, расположенный на расстоянии до 1 сантиметра от первого, системы подачи и отвода газа, источников постоянного напряжения. Между первым и вторым электродом в отверстии зажигается микроразряд с полым катодом с разрядным током несколько миллиампер. Несамостоятельный разряд возникает при подключении напряжения между вторым и третьим электродами. К недостаткам этих двух известных устройств можно отнести наличие постоянно работающего дополнительного источника ионизации, который необходим для устойчивого горения основного разряда.
Известно устройство для получения безыскрового разряда в плотных газах [3], являющееся наиболее близким по решаемой задаче и принятое в качестве прототипа. Общим у известного устройства и заявляемого изобретения является то, что зажигаемый разряд является самостоятельным.
Недостатком известного устройства является достаточно сложная система предварительной ионизации разрядного промежутка, которая необходима для стабилизации разряда, что препятствует искрообразованию и его стабилизации. Кроме того, известное устройство, является более дорогостоящим вследствие сложности конструкции, а также трудоемким в эксплуатации.
Заявляемое изобретение свободно от указанных недостатков.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение стабилизации тлеющего микроразряда при атмосферном давлении более простым способом, не требующим предварительной ионизации газа в разрядном промежутке и без использования какой-либо системы откачки газа. Кроме того, важным и значимым техническим результатом является возможность проводить разряд и при токах около единиц и менее mA и межэлектродных расстояниях порядка десятков µm и менее [4].
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения стабильного микроразряда атмосферного давления, содержащим источник постоянного напряжения, соединенный через ограничивающий величину тока резистор с разрядным промежутком между плоским катодом, расположенным на основании, и анодом, установленным на рычаге, который снабжен регулятором длины разрядного промежутка между катодом и анодом, в соответствии с заявленным изобретением, анод выполнен в виде иглы с радиусом скругления не более 20 µm и расположен над плоским катодом на расстоянии, не превышающем числового значения величины разрядного промежутка между анодом и катодом, которому соответствует, по закону Пашена, минимальное пробойное напряжение.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что анод установлен на одном конце рычага, который подвижно соединен с осью, закрепленной на основании и расположенной на расстоянии от анода не более чем на 0,1 его длины, а второй конец рычага расположен под действием собственной силы тяжести на регуляторе длины разрядного промежутка, причем поверхность анода, обращенная к катоду, имеет сферическую форму.
Помимо этого, технический результат достигается тем, что регулятор длины разрядного промежутка выполнен в виде винта с лимбом.
Технический результат в заявленном изобретении достигается тем, что разряд зажигается между плоским катодом и анодом, который выполнен в виде тонкой иглы с малым радиусом скругления. Расстояние между между плоским катодом и иглообразным анодом Lo выбирается меньше расстояния, соответствующего минимуму кривой Пашена Lmin. По этой причине напряжение пробоя газа U и привязка разряда к аноду соответствуют минимуму кривой Пашена (U=Umin, L=Lmin), т.е. происходят выше кончика иглы на расстоянии Lmin>Lo. Разряд как бы «сам выбирает» свою длину так, чтобы при изменении условий она соответствовала стабильному горению вблизи Lmin минимума кривой Пашена. При этом падение напряжения на разрядном промежутке имеет одну и ту же величину (порядка Umin), которая слабо зависит от величины зазора и давления газа.
Кроме того, технический результат достигается тем, что электрическая емкость при такой конфигурации электродов гораздо меньше, чем при двух плоских электродах.
Все это позволяет повысить устойчивость и стабилизацию разряда к искрообразованию (срыву в режим RC колебаний) при токах около единиц и менее mA и малых разрядных промежутков.
Сущность заявляемого изобретения поясняется Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3 Фиг.4, Фиг.5 и Фиг.6
На Фиг.1 представлена схема устройства получения стабильного тлеющего микроразряда атмосферного давления.
На Фиг.2 представлена иллюстрация поведения микроразряда при изменении разрядного промежутка.
На Фиг.3 представлены формы испытательных моноимпульсов и импульсов напряжения на разряде.
На Фиг.4 представлены зависимости величины тока и напряжения разряда от времени при зазорах между иглообразным анодом и плоским катодом в 6 µm и 1 µm.
На Фиг.5 представлена зависимость напряжения горения разряда от величины зазора между плоским катодом и игольчатым анодом с радиусом скругления кончика 25 микрон при токе около 4 mA.
На Фиг.6 представлены вольтамперные характеристики разряда между иглообразным анодом и плоским катодом при больших токах и разных разрядных промежутках.
На Фиг.7 представлена зависимость величины тока и напряжения разряда от времени при зазоре между плоскими анодом и катодом в 10 µm.
Заявленное изобретение (Фиг.1) содержит источник постоянного напряжения (1), ограничивающий величину тока резистор (2), расположенный на основании (5) плоский катод (3), анод (4), выполненный в виде тонкой иглы и установленный на конце рычага (7), регулятор (6) длины разрядного промежутка между катодом (3) и анодом (4) выполненный в виде винта с лимбом и закрепленный резьбовым соединением на основании (5), ось (8), которая обеспечивает подвижное соединение рычага (7) с основанием (5) и которая расположена от анода (4) на расстоянии не более чем на 0,1 длины рычага (7).
На Фиг.2 представлена иллюстрация поведения микроразряда при изменении разрядного промежутка. Данная иллюстрация показывает, что при разрядном промежутке равном не более величины, соответствующей минимуму величины напряжения пробоя на кривой Пашена параметры разряда остаются постоянными.
На Фиг.3 представлены осциллограммы входных испытательных моноимпульсов и импульсов напряжения на разряде. Формирователь моноимпульсов состоял из высоковольтного выпрямителя, заряжавшего накопитель емкостью 0,9 mF × 5 kV, и разрядной схемы. Подаваемые на вход разрядного устройства испытательные моноимпульсы напряжения были двух типов - симметричные и с плавно спадающим задним фронтом. Для получения импульса с плавно спадающим задним фронтом (рис.1 слева) накопитель разряжался на резистор 55Ω, напряжение с которого подавалось на исследуемый разряд через интегрирующую цепочку (1 kΩ, 4 µF) и ограничительный резистор R величиной 364, 44, 6 или 2,74 kΩ. Для получения импульса, форма которого близка к симметричной (рис.1 справа), накопитель емкостью 0,3 mF разряжался через дроссель L=0,2 H на резистор 15 Ω, напряжение с которого подавалось на исследуемый разряд через ограничительный резистор.
На Фиг.4 представлены в качестве примеров конкретной реализации заявленного изобретения зависимости величины тока и напряжения разряда от времени при зазорах между иглообразным анодом и плоским катодом в 6 µm и 1 µm.
На Фиг.5 представлена зависимость напряжения горения разряда от величины зазора между плоским катодом и игольчатым анодом с радиусом скругления кончика 25 µm при токе около 4 mA. По данной зависимости хорошо видно, что напряжение горения разряда почти постоянно при изменении величины разрядного промежутка.
На Фиг.6 представлены, в качестве примеров конкретной реализации заявленного изобретения, вольтамперные характеристики разряда между иглообразным анодом и плоским катодом при больших токах и разных разрядных промежутках.
На Фиг.7 представлена зависимость величины тока и напряжения разряда от времени при зазоре между плоскими анодом и катодом в 10 µm. Особенность этого случая состоит в том, что здесь в качестве анода (4) использовалась не тонкая игла, а металлический шар диаметром 11 mm. Такой анод при микронных разрядных промежутках можно рассматривать как плоский (квазиплоский).
Работа заявляемого изобретения осуществляется следующим образом. Первоначально производится его настройка. Для этого нужно подать небольшое напряжение на вход и, поворачивая винт с лимбом (6), медленно опустить рычаг (7) до момента возникновения тока. Таким образом, между анодом (4) и катодом (3) установится нулевое расстояние. Затем нужно поднять рычаг (7), установив при этом нужное расстояние между анодом (4) и катодом (3) (L~10 µm), и подать высокое напряжение питания (U~300 V) на разрядный промежуток через ограничительное сопротивление (2). После пробоя между иглообразным анодом и плоским катодом возникает стабильный тлеющий разряд.
Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени.
В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: повышение стабильности тлеющего микроразряда атмосферного давления при токах около единиц и менее mA и межэлектродных расстояниях порядка десятков µm и менее.
Тестовые режимы работы устройства для получения стабильного микроразряда атмосферного давления приведены в конкретных примерах.
Пример 1.
Расстояние между плоским катодом (3) и игольчатым анодом (4) составляло 1 µm. По данным зависимости величины тока и напряжения разряда от времени (Фиг.4) видно, что разряд стабильно горит при токах около единиц mA и менее (на осциллограмме отсутствуют резкие скачки тока и напряжения).
Пример 2.
Расстояние между плоским катодом (3) и игольчатым анодом (4) составляло 6 µm. По данным зависимости величины тока и напряжения разряда от времени (Фиг.4) видно, что разряд стабильно горит при гораздо больших токах, чем в предыдущем случае, но падение напряжения на нем почти не изменилось. Пример 3.
Разряд при токах до 50 mA и разных расстояниях между плоским катодом (3) и игольчатым анодом (4). По представленным вольтамперным характеристикам (Фиг.6) видно, что при больших токах падение напряжения на разряде заметно меняется, причем с увеличением разрядного промежутка (~100 µm) изменение напряжения становятся больше.
Следует отметить, что при токах порядка сотен mA заостренное окончание анода за время около 1 s теряет форму за счет эрозии.
Пример 4.
Разряд между плоским катодом (3) и шаровым анодом (4) диаметром 11 mm (квазиплоский разрядный промежуток длиной 10 µm). В квазиплоском разрядном промежутке измерения, как и само горение тлеющего разряда, при зазорах около минимума кривой Пашена и левой ее ветви (10 µm и менее) затруднительны, так как сильно влияют неоднородность распределения зазора и шероховатость поверхности. Возникают множественные пробои уже при напряжениях менее 330 V (Фиг.7).
Пробой и разряд с игольчатым анодом (4) около минимума кривой Пашена имеют ряд особенностей. Слева от этого минимума, как пробой, так и сам разряд происходят выше кончика иглы (Фиг.2). Падение напряжения имеет одну и ту же величину, превышающую 270 V (300-307 V), но слабо зависящую от зазора и, соответственно, от давления газа (Фиг.5). Если в слабо неоднородном промежутке при приближении зазора к 1 микрону разряд совсем нестабилен, да еще и при малом токе, то в данном же случае за счет малости межэлектродной емкости удается легко получить относительно стабильный тлеющий разряд с нормальным падением напряжения при токах менее 1 mA (Фиг.4). Кроме того, острый кончик анода не эродирует при малых токах.
Заявляемое изобретение позволяет получать стабильный микроразряд достаточно простым и малозатратным способом, который не требует вакуумных установок, так как разряд горит в атмосфере и не требует внешней инжекции электронов, так как разряд является самостоятельным. Устройство может быть использовано при создании плазмохимических реакторов и газоанализаторов. Оно также может быть применено в различных методиках плазменного напыления и легирования материалов на участках микронного размера. Известно, например, что легирование поверхности материалов под действием газового разряда происходит интенсивней при более высоких давлениях.
Возможно также применение заявленного изобретения при локальном плазменном травлении материалов микроэлектронной техники. Известно устройство для локального плазмохимического травления материала [5] при помощи высокочастотного разряда. В отличие, от известного устройства заявленное изобретение позволит проводить травление стабильным тлеющим разрядом постоянного тока на микронных участках (порядка единиц микрон) при атмосферном давлении.
Список использованной литературы:
1. Симончик Л.В. Архипенко В.И. Сафронов Е.А. // Патент Белоруссии BY 14068 C1 2011.02.28.
2. Robert Н. Stark, Karl Н. Schoenbach // United States Patent No.: US 6433480 B1, 2002.
3. Шалыгина H.А. Сорокин A.P. // Патент России RU 2297071 // - Прототип.
4. Arkhipenko, V.I.; Kirillov, A.A.; Safronau, Y.A.; Simonchik, L.V. // DC atmospheric pressure glow microdischarges in the current range from microamps up to amperes // Eur. Phys. J. D 60, 455-463 (2010).
5. Абрамов А.В., Дикарев Ю.И., Суровцев И.С. // Патент Российской Федерации RU 2091904, 27.09.1997.

Claims (3)

1. Устройство для получения стабильного микроразряда атмосферного давления, содержащее источник постоянного напряжения, соединенный через ограничивающий величину тока резистор с разрядным промежутком между плоским катодом, расположенным на основании, и анодом, установленным на рычаге, который снабжен регулятором длины разрядного промежутка между катодом и анодом, отличающееся тем, что анод выполнен в виде иглы с радиусом округления не более 20 мкм и расположен над плоским катодом на расстоянии, не превышающем числового значения величины разрядного промежутка между анодом и катодом, которому соответствует по закону Пашена минимальное пробойное напряжение.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод установлен на одном конце рычага, который подвижно соединен с осью, закрепленной на основании и расположенной на расстоянии от анода не более чем на 0,1 его длины, а второй конец рычага расположен под действием собственной силы тяжести на регуляторе длины разрядного промежутка, причем поверхность анода, обращенная к катоду, имеет сферическую форму.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулятор длины разрядного промежутка выполнен в виде винта с лимбом.
RU2012120974/07A 2012-05-22 2012-05-22 Устройство для получения стабильного микроразряда атмосферного давления RU2499321C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012120974/07A RU2499321C1 (ru) 2012-05-22 2012-05-22 Устройство для получения стабильного микроразряда атмосферного давления

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012120974/07A RU2499321C1 (ru) 2012-05-22 2012-05-22 Устройство для получения стабильного микроразряда атмосферного давления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2499321C1 true RU2499321C1 (ru) 2013-11-20

Family

ID=49710223

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012120974/07A RU2499321C1 (ru) 2012-05-22 2012-05-22 Устройство для получения стабильного микроразряда атмосферного давления

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2499321C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2556750A1 (de) * 1975-12-17 1977-06-30 Karahasanovic Esad Dipl Oec Elektrodenhalter
RU1438589C (ru) * 1986-09-05 1995-08-09 Московский электроламповый завод Способ зажигания разряда в газоразрядном промежутке и устройство для его осуществления
RU2346886C2 (ru) * 2006-04-26 2009-02-20 Закрытое акционерное общество "Электроника силовая" Генератор озона
RU2376731C1 (ru) * 2008-03-31 2009-12-20 Институт электрофизики Уральского отделения РАН Устройство для генерации импульсных пучков быстрых электронов в воздушном промежутке атмосферного давления
RU108224U1 (ru) * 2009-11-09 2011-09-10 Виктор Дмитриевич Бочков Искровой разрядник

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2556750A1 (de) * 1975-12-17 1977-06-30 Karahasanovic Esad Dipl Oec Elektrodenhalter
RU1438589C (ru) * 1986-09-05 1995-08-09 Московский электроламповый завод Способ зажигания разряда в газоразрядном промежутке и устройство для его осуществления
RU2346886C2 (ru) * 2006-04-26 2009-02-20 Закрытое акционерное общество "Электроника силовая" Генератор озона
RU2376731C1 (ru) * 2008-03-31 2009-12-20 Институт электрофизики Уральского отделения РАН Устройство для генерации импульсных пучков быстрых электронов в воздушном промежутке атмосферного давления
RU108224U1 (ru) * 2009-11-09 2011-09-10 Виктор Дмитриевич Бочков Искровой разрядник

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ceccato et al. Time-resolved nanosecond imaging of the propagation of a corona-like plasma discharge in water at positive applied voltage polarity
Machala et al. DC discharges in atmospheric air and their transitions
US8173075B2 (en) Device for generation of pulsed corona discharge
Bruggeman et al. Influence of the water surface on the glow-to-spark transition in a metal-pin-to-water electrode system
Akishev et al. Pulsed mode of a negative corona in nitrogen: I. Experiment
Bruggeman et al. DC electrical breakdown in a metal pin–water electrode system
Bokhan et al. A high-voltage subnanosecond sharpener based on a combination of ‘open’and capillary discharges
Korolev et al. Discharge in the saline solutions in a vicinity of the threshold voltages
Harrower et al. Design considerations for corona-stabilized repetitive switches
RU121399U1 (ru) Газоразрядное устройство
Hogg et al. Polarity effects on breakdown of short gaps in a point-plane topology in air
RU2499321C1 (ru) Устройство для получения стабильного микроразряда атмосферного давления
Bozhko et al. Corona discharge to water surface and its transition to a spark
Li et al. Effects of atmospheric-pressure discharge type on ionic wind velocity for needle-to-cylinder electrode
Liu et al. Comparison of point-to-plane corona in different gases
Kovalchuk et al. Stability of triggering of the switch with sharply non-uniform electric field at the electrode with negative potential
Jiang et al. Design and construction of a±100 kV gas switch for linear transformer drivers
Stephan et al. Transverse stabilization of atmospheric-pressure DC glow plasma in air with resistive barrier
Dandaron et al. Experimental study of a negative corona in atmospheric-pressure argon
Koval’chuk et al. Operating stability of a frequency spark-gap switch at a voltage up to 300 kV and a switching energy up to 450 J
RU58785U1 (ru) Высокочастотный генератор на основе разряда с полым катодом
Krastelev et al. Corona-stabilized gas spark gap switch for a double forming line with 300 kV working voltage
Cheng et al. Intrinsic-like surface flashover voltage of insulators
Hasaani et al. Measurements of Corona Discharge in Non-Uniform Field Freon GAP
Talal EXPERIMENTAL STUDY OF SOME PROPERTIES OF THE SPARKING DISCHARGE IN ATMOSPHERIC AIR