СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСКРОВЫХ РАЗРЯДОВ В ИСКУССТВЕННЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЯХ

August 3, 2012 by admin Комментировать »

В. Н. Болотов, Ю. В. Ткач Институт Электромагнитных Исследований Харьков 61022, а/я 4580, Украина E-mail: renic&jemr. vl.net. иа


Аннотация Искусственное заряженное аэрозольное образование представляет собой сложную физикохимическую систему, которая по своим свойствам приближается к таким малоизученным состояниям вещества, как аэрозольная плазма и в некоторых модификациях позволяет моделировать физические процессы в грозовых разрядах. В данной работе получены спектры электромагнитного излучения, сопровождающие лидерную стадию разряда. Полученные результаты важны при решении задач в рамках проблемы ЭМС.

I.  Введение

В настоящее время становится весьма актуальной задача создания искусственного заряженного аэрозольного образования (ЗАО) и исследования разрядных процессов, происходящих в ЗАО в лабораторных условиях.

Знание причин возникновения разрядов в облаках дало бы возможность решить задачу по защите различных объектов от грозовых разрядов, представляющих собой пробой длинных воздушных промежутков в сотни и более метров [1]. Вероятнее всего разрядные процессы являются масштабно инвариантными. Поэтому основные причины, вызывающие разряд в длинных воздушных промежутках между ЗАО и стержнем на заземлённой плоскости, в лабораторных условиях, аналогичны тем же причинам, которые отвечают за возникновение молний в грозовых облаках.

Искусственное ЗАО представляет собой сложную физико-химическую систему, которая по своим свойствам приближается к таким малоизученным состояниям вещества, как аэрозольная плазма. Основной компонентой ЗАО, являются заряженные капли воды, большинство из которых имеют радиус, лежащий в пределах от 0.1 до 0.4 мкм. Они создаются генератором заряженного аэрозоля (ГЗА) [2].

Одной из целей данной работы являлось получение спектров временных реализаций токов разных стадий разрядных процессов, наблюдаемых экспериментально. При этом использовались как Фурье, так и вейвлетные спектры. Особенностью вейвлетных спектров является тот факт, что они дают возможность наблюдать изменение спектрального состава разрядного процесса в зависимости от времени [3].

В данной работе определяется также диапазон длин электромагнитных волн, излучаемых при лидерном процессе. Такого рода информация является важной в рамках проблемы ЭМС, поскольку позволяет определить пути создания эффективной защиты электронного оборудования при воздействии на него электромагнитных полей и электромагнитных импульсов, генерируемых разрядами молнии.

II.   Экспериментальный стенд

Для изучения и моделирования разрядных явлений в грозовых облаках необходимо сформировать в свободном пространстве стабильное заряженное образование с достаточно высокой плотностью объемного заряда [4]. Для этой цели используются ГЗА различных типов.

Одним из наиболее перспективных методов получения тонкодисперсных аэрозолей является конденсация паров жидкости при их быстром охлаждении. Такая система аэрозолеобразования включает нагрев жидкости до кипения при повышенном давлении и выпуск пара через сопло в рабочий объем. В результате быстрого расширения пара, проходящего через сопло, происходит конденсация пара с образованием тонкодисперсного аэрозоля.

При образовании ЗАО конденсационным методом необходимо также в рабочем объеме обеспечить достаточное количество центров конденсации. Их роль играют ионы, образуемые в коронном разряде, который используется для зарядки аэрозольных частиц.

Рис. 1. Блок-схема экспериментального стенда Fig. 1. Test bench flowchart

Искусственное ЗАО это сравнительно новая физико-химическая система, процессы в которой можно регулировать с помощью изменения электродинамических параметров ЗАО, его химического состава и дисперсности среды.

На рис. 1 представлена блок-схема экспериментального стенда по изучению разрядных процессов в искусственных ЗАО. ГЗА конденсационного типа 1 используется для создания облака сильно заряженного водного аэрозоля 3. Он создает струю горячего заряженного водного аэрозоля на различных высотах над заземленной плоскостью 2 и обеспечивает ток выноса заряда до 150 цА. Начальная скорость истечения перегретого пара находится в диапазоне 380-420 м/с. Объем создаваемого заряженного аэрозольного облака достигает нескольких кубических метров. Плотности объемного заряда на оси заряженного аэрозольного потока находятся в диапазоне

1.5-10 4 -г-1.0-1 СГ2 Кл/м3 (меньшие значения соответствуют удаленным от сопла частям заряженного потока). Измеренный потенциал заряженного аэрозольного облака может достигать до 1,5 MB. В результате, формируется сильное неоднородное электрическое поле между заземленной плоскостью диаметром 1,5 м и заряженным облаком 3. Причем, напряженность поля может достигать 12 кВ/см вблизи заземленной плоскости и 22 кВ/см на границе облака заряженного аэрозоля.

Для контролируемого инициирования разрядов стержень 4 был установлен на плоскости. На вершине стержня закреплялись сферы различного диаметра (от 10 мм до 50 мм). Сферы были изолированы от стержня и заземлены через малоиндуктивный шунт

5.   При проведении экспериментов были использованы шунты двух номиналов: 4 Ом и 1,43 Ом. Ток разряда измерялся цифровыми осциллографами 6 Tektronix TDS 754D (полоса пропускания 500 МГц, частота дискретизации 2 ГГц) и Tektronix TDS 3052 (полоса пропускания 500 МГц, частота дискретизации 5 ГГц). Напряженность электрического поля и объемный заряд, накопленный в облаке заряженного аэрозоля, контролировались специальным струнным датчиком 9, расположенным на заземленной плоскости.

Оптическая картина возникновения и распространения разряда фиксировалась цифровой фотокамерой 7 Canon Power Shot G1, которая позволяла регистрировать процессы в режиме ручной выдержки до 8 секунд. В результате, оптическая картина возникающего разрядного явления была синхронизирована со снимаемой с шунта осциллограммой тока данного разрядного процесса.

III.  Лидерная стадия разряда

Все представленные в данной работе экспериментальные результаты относятся к отрицательной полярности облака, как ситуации, наиболее контролируемой при экспериментах и характерной для естественных грозовых условий. В этом случае лидерный процесс, в основном, развивается от вершины заземленного стержня в заряженное облако водного аэрозоля (восходящий лидер).

Предшественником возникновения всех стадий разрядных процессов являются лавины электронов. Условием развития лавины является превышение скорости ионизации молекул газа над скоростями прилипания электронов к молекулам газа и ухода электронов из области ионизации за счёт их диффузии [2].

Если размеры области разряда меньше разрядного промежутка, то такой разряд называется коронным разрядом. Если он ограничен только лавинной стадией, то имеет место лавинная корона. На её фоне могут возникать отдельные стримеры. В этом случае наблюдается лавинно-стримерная стадия разряда. При дальнейшем увеличении разности потенциалов в промежутке между облаком и электродом на заземлённой плоскости, разряд переходит в стримерную стадию. Возникает стримерный коронный разряд. Существование стримерной короны ещё не означает пробоя промежутка ЗАО стержень на заземлённой плоскости, но является необходимым условием для перехода разряда из стримерной стадии в стримерно-лидерную. На этой стадии пробоя на фоне стримерной короны зарождаются отдельные участки лидеров, т.е. области высокотемпературной плазмы. Лидерная стадия пробоя характеризуется образованием мощного ярко светящегося высокотемпературного плазменного канала. Лидер распространяется по заранее сформированному стримерному каналу. Температура в канале лидера достигает нескольких тысяч градусов (5000-6000 К [1]). Ток в канале лидера достигает десятков и сотен ампер. Оканчивается лидерная стадия разряда главным разрядом, т.е. пробоем воздушного промежутка между ЗАО и стержнем на заземлённой плоскости.

Рис. 2. Лидерный процесс, оканчивающийся главным разрядом

Fig. 2. A leader process ending in main discharge

На рис. 2 приведена фотография главного разряда, завершающего лидерный процесс. В левом верхнем углу видно ЗАО, расположенное под углом к горизонту. В правом нижнем углу фотографии виден стержень на заземлённой плоскости. На фотографии ясно виден высокотемпературный плазменный канал лидера. Он соединяет стержень и центр ЗАО, отмеченный стрелкой на рис.2.

Рис. 3. Временная реализация тока лидерного процесса

Fig. 3. The temporal realization of the leader process current

Измеренная временная реализация тока лидерного процесса приведена на рис. 3. Шаг дискретизации г при экспериментальных измерениях был равен 1 ns.

На рис. 4 приведен спектр мощности временной реализации тока лидерного процесса, оканчивающегося главным разрядом.

На рис. 5 приведен вейвлетный спектр лидерного процесса и главного разряда. Рис.5 показывает, что высокочастотные флуктуации тока происходят на протяжения всего лидерного процесса, включая и его финальную стадию главный разряд. Они имеют малую интенсивность по сравнению с интенсивностью спектральных компонент главного разряда и лежат в диапазоне от 160 МГц до 250 МГц. Вычисленная корреляционная размерность этих колебаний стремится к бесконечности. Таким образом, высокочастотные колебания тока носят случайный характер.

Frequency, GHz

Frequency, GHz

Fig. 7. The ЕМ radiation power spectrum generated by the main discharge

Fig. 4. The power spectrum of the temporal realization of the leader process current

Puc. 4. Спектр мощности временной реализации ливерного процесса

Puc. 5. Вейвлетный спектр временной реализации тока ливерного процесса Fig. 5. The wavelet spectrum of the temporal realization of the leader process current

Puc. 7. Спектр электромагнитного излучения, генерируемый главным разрядом

Главный разряд характеризуется возникновением интенсивных низкочастотных колебаний, лежащих в диапазоне от 5 до 20 МГц. Амплитуды токов главных разрядов достигают величины 20-30 А для данного искусственного ЗАО.

IV.            Дипольное излучение, сопровождающее главный разряд

Хорошо известно, что электрические разряды сопровождаются излучением электромагнитных волн. При этом, как отмечают многие исследователи, лидерный канал представляет собой хорошо проводящую плазму [1]. Этот плазменный канал, с нашей точки зрения, и играет роль излучающего элемента. Таким образом, зная изменение тока разряда со временем можно определить спектр электромагнитных волн, излучаемых в течение разрядного процесса.

Дипольное излучение, как известно, обусловлено производной тока по времени, протекающего по проводнику, т.е. фактически определяется крутизной тока. Напряжённость электрического поля в направлении перпендикулярном диполю, а в данном случае плазменному каналу лидера, в случае г »/, описывается выражением:

Fig. 8. The wavelet spectrum of the main discharge EM radiation

III.  Заключение

Проведенные эксперименты в сочетании с известными моделями искровых разрядов дали возможность классифицировать разрядные явления в искусственных ЗАО.

В данной работе, используя временные реализации тока, получен спектр излучаемых электромагнитных волн, сопровождающий главный разряд. Вейвлетный анализ показал, что спектр электромагнитного излучения при мощном пробое промежутка между ЗАО и стержнем на заземлённой плоскости лежит в диапазоне от 25 МГц до 300 МГц. При этом амплитуды компонент спектра имеют практически одинаковую величину. Эта информация может быть полезна при постановке экспериментов по изучению электромагнитных волн, генерируемых разрядными процессами, а также при решении задач защиты электронной аппаратуры от излучения грозовых разрядов в рамках проблемы ЭМС.

IV.  Список литературы

[1]  Базелян Э. М., Райзер Ю. П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001. 320 с.

[2]  Бортник И. М., Верещагин И. П., Сергеев Ю. Г. и др. Электрофизические основы техники высоких напряжений. М.: Энергоатомиздат, 1993. 402 с.

[3]  Mallat S. A Wavelet Tour of Signal Processing. San Diego: Academic Press. -1998. 630 p.

[4]  T. Sugimoto, S. Tanaka, Y. Higashiyama, K. Asano. Formation of a charged droplets cloud and corona discharge between the cloud and a grounded electrode // IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 35, N. 1, 1999, pp. 225-230.

SPECTRAL CHARACTERISTICS OF SPARK DISCHARGE PROCESSES IN ARTIFICIAL AEROSOL CLOUDS

Bolotov V. N., Tkach Yu. V.

Institute for Electromagnetic Research P.O. Box 4580, Kharkiv, Ukraine, 61022 e-mail: renic@iemr.vl.net.ua

Abstract Artificial charged aerosol clouds represent a complicated physicochemical system whose properties approach such little-studied states of matter as aerosol plasma. In this paper the spectra of electromagnetic radiation accompanying discharge processes are discussed. These results are important within the framework of EMC problems.

I.   Introduction

Puc. 8. Вейвлетный спектр электромагнитного излучения главного разряда

Nowadays the tasks of generating artificial charged aerosol clouds (CACs) and researching discharge processes in laboratory environment have become quite topical [1, 2]. One of the objectives of this research was to obtain the Fourier and wavelet spectra for the experimentally observed temporal current realizations of discharge processes. The ranges of electromagnetic waves accompanying the leader process have also been determined. Such information is important within the framework of electromagnetic compatibility problems.

II.   Experimental bench

To study the discharge phenomena using artificial CACs a stable charged cloud with a sufficient density of volumetric charge should be generated in free space [4]. For this purpose charged aerosols generators of various types are used. Fig. 1 shows the flowchart of an experimental bench used to investigate discharge processes in artificial CACs. CAC potentials may sometimes reach 1.5MV. As a result, a strong non-uniform electric field emerges between a 01,5m grounded plate and the charged cloud. The field intensity may reach 12KV/cm at the grounded plane and 22KV/cm near the CAC boundaries. The optical picture of the discharges was registered by the 7 Canon Power Shot G1 digital camera.

III.   Leader stage of discharge

All the experimental results presented in is paper deal with the negative polarity of CACs. Here the leader process develops from the top of a grounded electrode up into a CAC (ascending leader). In Fig. 2 the main discharge which ends the leader process is shown. In Fig. 3 the measured temporal realization of the leader process current is presented. Figs. 4 and 5 show its related Fourier and wavelet spectra [3].

The main discharge is characterized by occurrences of intensive low-frequency (5-20MHz) current oscillations. Current amplitudes of main discharges reach 20-30A for the given artificial CACs.

IV.   Dipole radiation of main discharge

Electrical discharges are known to be accompanied by the emission of electromagnetic waves. The leader channel represents well-conducting plasma [1]. This plasma channel, in our opinion, acts as antenna. In Fig. 6 the derivative of the leader discharge current is shown. Because of the electric intensity being proportional to the current derivative (1) one may be justified in saying that Fig. 6 shows a videopulse radiated at the breakdown of the air gap (Fig. 2). Its duration is 5ns. Figs. 7 and 8 show the Fourier and wavelet spectra of the EM pulse generated by the main discharge.

V.   Conclusion

In this research the implementation of temporal realizations of discharge currents has allowed for the spectra of EM waves accompanying the main discharge in the dipole approximation to be obtained. The wavelet analysis has shown the EM radiation spectrum at a high-power breakdown of the air gap between CACs and grounded electrodes to be within the 25-300MHz range. This information might be useful for the electronic equipment protection in the context of EMC-related issues.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты