ПЛАЗМОТРОН С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ПРЕДЫОНИЗАЦИЕЙ ОТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА

Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

Т.Я. Асадуллин, И.Г. Галеев, З.Х. Исрафилов, Б.А. Тимеркаев

timur@karlson.kai.ru

Казанский государственный технический университет

В настоящее время считается признанным, что импульсно-периодический разряд при соответствующих частотах является более устойчивым и позволяет повысить объемные и удельные энерговклады. Устойчивость импульсно-периодического разряда при повышенных токах объясняется тем, что за время импульса не успевают развиться многие характерные для тлеющего разряда неустойчивости, такие как ионизационно-перегревная неустойчивость, прилипательная и др., характерные времена развития которых ~ 1 мс. В данной работе исследована работа плазмотрона с импульсно-периодической предыонизацией от вспомогательного электрода.

Эксперименты проводились на плказмотроне, принципиальная схема которого приведена на рис. 1. Плазмотрон состоит из корпуса и электродных плат. Анодная плата А представляет собой сплошную медную пластину. Внутри ее имеется полость, по которой прокачивается вода с целью охлаждения. Катодная плата представляет собой секционированный катодный узел. Катодные секции выполнены в виде ножевых электродов и штыревых электродов, заделанных заподлицо в керамические блоки. Все электроды выполнены водоохлаждаемыми. В катодной плате электроды вдоль по потоку расположены в следующем порядке: ряд ножевых электродов, ряд штыревых электродов и затем ряды ножевых штыревых электродов - катодов. Количество рядов ножевых электродов - 9, в каждом ряду находятся или по 2 ножевых электрода или 6 штыревых электродов. Основной разряд горел между ножевыми электродами и анодной платой.

С целью облегчения пробоя и повышения устойчивости тлеющего разряда в межэлектродной области под штыревым рядом электродов - катодов был расположен вспомогательный электрод (ВЭ), выполненный в виде медного стержня, который расположен параллельно катодной и анодной плате и перпендикулярно направлению потока газовой смеси. Диаметр стержня 3,4 мм. Входное сечение ГРК имеет размеры: 13,5х3,4 см², длина катодной платы вдоль потока 20 см, анодной - 40 см. В экспериментах ВЭ располагался либо посередине между катодной и анодной платами прямо под штыревыми катодами предионизатора, либо с некоторым смещением.

На вспомогательный электрод подавалось импульсно-периодическое воздействие с частотой в диапазоне от десятков Гц до 100 кГц, для этого была создана система прерывания тока (СПТ), работающая в режиме электронного коммутатора. То есть СПТ периодически соединяла и разрывала цепь питания ВЭ. Принципиальная схема ее приведена на рис. 2. Высоковольтная цепь в ней коммутируется двумя транзисторами типа КТ828Б с пробивным напряжением U_{кэ,проб} = 600 В. Цепь управления развязана через трансформатор. В качестве сердечника трансформатора использован тороид из пермаллоя. Витки обмоток изолированы от сердечника. Трансформатор пропускает импульсы обоих полярностей. Для обеспечения нормальной работы импульсы напряжения одной полярности шунтируются через диоды КД213Б. В предварительной цепи осуществляется усиление по току. Для этого используется стабилизированный источник питания с постоянным напряжением 27 В.

В анодной цепи ВЭ были установлены балластные сопротивления r₁ и r₂. Сопротивления r₁ и r₂ вместе определяли величину тока ВЭ в отсутствие шунтирования, а сопротивление r₁ регулировало этот ток во время шунтирования.

Параллельно балластному сопротивлению r₂подключенена СПТ, которая срабатывала при подаче на нее импульса напряжения от генератора прямоугольных импульсов Г5-54.

Эксперименты проводились в потоке воздуха и показали существенное влияние предыонизации на характеристики разряда. Основной разряд инициируется лишь при включении предыонизатора. Вольтамперная характеристика основного разряда оказалась близкой к горизонтальной. Влияние импульсно-периодической работы предыонизатора особенно сильно проявляется в модуляции силы тока на электродах, расположенных в непосредственной близости к вспомогательному разряду, и в повышении устойчивости разряда.

Например, при U=3,2 кВ, r₁₌0,88 кОм, r₂ = 20 кОм, h=8 мм (h - расстояние ВЭ от анода), длительности импульсов t = 100 мкс и их скважности равной 2, в момент шунтирования сопротивления r₂ток на вспомогательный электрод увеличивается в 2,5 раза, при этом ток на основной анод уменьшается. Это легко объяснимо. В отсутствии шунтирования ток на ВЭ ограничен большим балластным сопротивлением r₂и поэтому только часть линий тока от штыревых катодов замыкается на вспомогательный электрод. Ток на основной анод определяется величиной R₂. Так как в данном случае ВЭ расположена в положительном столбе разряда на основной анод, то включение шунтирования, т.е. уменьшение балластного сопротивления в цепи ВЭ, приводит к увеличению тока на ВЭ. В результате чего основной анод оказывается как бы частично заэкранированным вспомогательным электродом. В случае увеличения r₁ полный ток на ВЭ уменьшается, также уменьшается и влияние шунтирования на ток основного анода. При r₁ = 0 ток на ВЭ во время импульса в 4 раза превышает ток в отсутствие импульса.

В экспериментах менялось положение ВЭ как вдоль так и поперек потока. Для каждого положения ВЭ необходимо подобрать сопротивления, частоту следования импульсов f и t , исходя из условия оптимальности соотношения токов ВЭ и ножевых электродов-катодов. Именно в этом случае влияние тока ВЭ на ток основного разряда является максимальным, тем самым достигается цель, которая заключается в управлении током основного разряда с помощью тока вспомогательного электрода. При скважности 3,3 c частотой f = 6 кГц получается синхронное колебание токов двух последующих рядов ножевых катодов с током ВЭ. А при частоте f = 5,3 кГц и t = 70 мкс ток ножевых катодов достаточно сильно увеличивается ( ~1,7 раза). Дальнейшее увеличение силы тока ВЭ приводит к неустойчивостям тока ножевых электродов. При расположении ВЭ на середине расстояния между катодной и анодной платами был получен устойчивый разряд с большим ресурсом изменения силы тока ВЭ совместно с током ножевых электродов с прямоугольными импульсами длительности t = 50 мкс и частотой f = 5 кГц при r₁ = 7,8 кОм, r₂ = 33 кОм и P = 54 Тор.