Стримерный разряд - Streamer discharge
Стримерный разряд , также известный как нитевидный разряд , представляет собой тип переходного электрического разряда , который образует на поверхности проводящего электрода , несущий высокое напряжение в изоляционной среде , такие как воздух. Стримеры представляют собой светящиеся извивающиеся разветвляющиеся искры, плазменные каналы, состоящие из молекул ионизированного воздуха, которые многократно выбрасываются из электрода в воздух.
Подобно связанным с ними коронным разрядам и щеточным разрядам , стримерный разряд представляет собой область вокруг проводника высокого напряжения, где воздух претерпел электрический пробой и стал проводящим ( ионизированным ), поэтому электрический заряд утекает с электрода в воздух. Это происходит, когда электрическое поле на поверхности проводника превышает электрическую прочность воздуха, около 30 киловольт на сантиметр. Когда электрическое поле, создаваемое приложенным напряжением, достигает этого порога, ускоренные электроны сталкиваются с молекулами воздуха с достаточной энергией, чтобы сбить с них другие электроны, ионизируя их, а освобожденные электроны продолжают ударять больше молекул в цепной реакции. Эти электронные лавины (разряды Таунсенда) создают ионизированные, электропроводящие области в воздухе около электрода. Пространственный заряд , создаваемый электрон лавина приводит к дополнительному электрическому полю, в результате чего ионизированный область расти на своих концах, образуя палец , как разряд называется серпантином .
Стримеры бывают кратковременными (существуют непродолжительное время) и нитевидными, что отличает их от коронных разрядов . Они используются в таких областях, как производство озона, очистка воздуха или плазменная медицина. Если стример достигает проводника противоположной полярности, он создает ионизированный проводящий путь, по которому может течь большой ток, выделяя большое количество тепла, что приводит к возникновению электрической дуги ; это процесс, посредством которого лидеры молний создают путь для молний. Стримеры также можно наблюдать как спрайты в верхних слоях атмосферы. Из-за низкого давления спрайты намного больше, чем стримеры при давлении на грунт, см. Законы подобия ниже.
.JPG)
История
Теорию кос разрядов предшествовали Джон Сили Townsend «s теории разряда от около 1900. Тем не менее, стало ясно , что эта теория иногда не согласуется с наблюдениями. Это особенно верно для разрядов, которые были более продолжительными или находились под более высоким давлением. В 1939 году Леб и Рэтер независимо друг от друга описали новый тип разряда на основе своих экспериментальных наблюдений. Вскоре после этого, в 1940 году, Мик представил теорию искрового разряда , которая количественно объяснила образование самораспространяющегося стримера. Эта новая теория стримерных разрядов успешно объяснила экспериментальные наблюдения.
Приложения
Стримеры используются в таких областях, как генерация озона, очистка воздуха и плазменное сжигание. Важным свойством является то, что генерируемая ими плазма сильно неравновесна: электроны имеют гораздо более высокие энергии, чем ионы. Следовательно, химические реакции могут запускаться в газе без его нагревания. Это важно для плазменной медицины, где «плазменные пули» или управляемые стримеры могут использоваться для лечения ран, хотя это все еще экспериментально.
Физика стримеров
Стримеры могут появиться при приложении сильного электрического поля к изоляционному материалу, обычно к газу. Стримеры могут образовываться только в тех областях, где электрическое поле превышает электрическую прочность (поле пробоя, разрушающее поле) среды. Для воздуха при атмосферном давлении это примерно 30 кВ на сантиметр. Электрическое поле ускоряет несколько электронов и ионов , которые всегда присутствуют в воздухе, из-за естественных процессов, таких как космические лучи , радиоактивный распад или фотоионизация . Ионы намного тяжелее, поэтому они движутся очень медленно по сравнению с электронами. Когда электроны движутся через среду, они сталкиваются с нейтральными молекулами или атомами. Важными коллизиями являются:
- Упругие столкновения , меняющие направление движения электронов.
- Возбуждения , при которых нейтральная частица возбуждается, и электрон теряет соответствующую энергию.
- Ударная ионизация , при которой нейтральная частица ионизируется, а падающий электрон теряет энергию.
- Прикрепление , когда электрон присоединяется к нейтрали, образуя отрицательный ион.
Когда электрическое поле приближается к полю пробоя, электроны между столкновениями набирают достаточно энергии, чтобы ионизировать атомы газа, сбивая электрон с атома. В поле пробоя существует баланс между образованием новых электронов (из-за ударной ионизации) и потерей электронов (из-за прилипания). Выше поля пробоя количество электронов начинает экспоненциально расти, образуется электронная лавина ( лавина Таунсенда ).
Электронные лавины оставляют после себя положительные ионы, поэтому со временем накапливается все больше и больше объемного заряда . (Конечно, ионы удаляются со временем, но это относительно медленный процесс по сравнению с генерацией лавины). В конце концов, электрическое поле от всего объемного заряда становится сопоставимым с фоновым электрическим полем. Иногда это называют «переходом от лавины к косе». В некоторых регионах полное электрическое поле будет меньше, чем раньше, но в других регионах оно станет больше, что называется усилением электрического поля. Новые лавины преимущественно растут в областях с сильным полем, поэтому может возникнуть самораспространяющаяся структура: стример.
Положительные и отрицательные стримеры
Есть положительные и отрицательные стримеры. Отрицательные стримеры распространяются против направления электрического поля, то есть в том же направлении, что и дрейфовая скорость электронов . Положительные стримеры распространяются в обратном направлении. В обоих случаях стримерный канал электрически нейтрален и экранирован тонким слоем пространственного заряда. Это приводит к усилению электрического поля на конце канала, «голове» стримера. И положительные, и отрицательные стримеры растут за счет ударной ионизации в этой области сильного поля, но источник электронов сильно отличается.
Для отрицательных стримеров свободные электроны ускоряются из канала в головную область. Однако для положительных стримеров эти свободные электроны должны приходить издалека, поскольку они ускоряются в канале стримера. Следовательно, отрицательные стримеры растут более рассеянно, чем положительные. Поскольку диффузный стример имеет меньшее усиление поля, отрицательные стримеры требуют более высоких электрических полей, чем положительные стримеры. Поэтому в природе и в приложениях положительные стримеры встречаются гораздо чаще.
Как отмечалось выше, важным отличием также является то, что положительным стримерам необходим источник свободных электронов для их распространения. Во многих случаях этим источником считается фотоионизация . В газовых смесях азота и кислорода с высокой концентрацией кислорода возбужденный азот испускает УФ-фотоны, которые впоследствии ионизируют кислород. Однако в чистом азоте или в азоте с небольшими примесями кислорода доминирующим механизмом производства фотонов является тормозное излучение .
Законы подобия
Большинство процессов в стримерном разряде - это двухчастичные процессы, когда электрон сталкивается с нейтральной молекулой. Важным примером является ударная ионизация , когда электрон ионизирует нейтральную молекулу. Следовательно, длина свободного пробега обратно пропорциональна плотности газа . Если электрическое поле изменяется линейно с плотностью газа, то электроны между столкновениями приобретают в среднем одинаковую энергию. Другими словами, если соотношение между электрическим полем и плотностью числа постоянное, мы ожидаем аналогичной динамики. Типичные длины масштабируются пропорционально длине свободного пробега.
Это также мотивирует таунсендскую единицу , которая является физической единицей отношения.
Эмиссия убегающих электронов и фотонов высоких энергий
Было замечено, что разряды в лабораторных экспериментах испускают рентгеновское излучение, а грозовые разряды испускают рентгеновское излучение и земные гамма-вспышки , всплески фотонов с энергией до 40 МэВ. Эти фотоны производятся убегающими электронами , электронами, преодолевшими силу трения , в процессе тормозного излучения . Однако до сих пор не до конца понятно, как электроны вообще могут набирать такую высокую энергию, поскольку они постоянно сталкиваются с молекулами воздуха и теряют энергию. Возможное объяснение - ускорение электронов в усиленных электрических полях наконечников стримеров. Однако неясно, действительно ли этот процесс может объяснить достаточно высокую производительность. Недавно было высказано предположение, что окружающий воздух возмущается вблизи стримерных разрядов и что это возмущение способствует ускорению электронов в режим убегания.
Связь между волнами давления и образованием рентгеновских лучей в разрядах в воздухе
Давление и ударные волны, создаваемые электрическими разрядами, способны возмущать окружающий воздух до 80%. Это, однако, имеет непосредственные последствия для движения и свойств вторичных стримерных разрядов в возмущенном воздухе: в зависимости от направления (относительно окружающего электрического поля) возмущения в воздухе изменяют скорость разряда, способствуют ветвлению или запускают самопроизвольное включение счетчика. увольнять. Недавнее моделирование показало, что такие возмущения могут даже способствовать образованию рентгеновских лучей (с энергией в несколько десятков кэВ) от таких стримерных разрядов, которые создаются убегающими электронами в процессе тормозного излучения .