В. Н. Болотов, Ю. В. Ткач Інститут електромагнітних Досліджень Харків 61022, а / я 4580, Україні E-mail: renic & jemr. vl.net. иа


Анотація Штучне заряджене аерозольне освіта являє собою складну фізико-хімічних систему, яка за своїми властивостями наближається до таких маловивченим станів речовини, як аерозольна плазма і в деяких модифікаціях дозволяє моделювати фізичні процеси в грозових розрядах. У даній роботі отримані спектри електромагнітного випромінювання, що супроводжують лидерной стадію розряду. Отримані результати важливі при вирішенні задач в рамках проблеми ЕМС.

I. Вступ

В даний час стає досить актуальною завдання створення штучного зарядженого аерозольного освіти (ЗАТ) і дослідження розрядних процесів, що відбуваються в ЗАТ в лабораторних умовах.

Знання причин виникнення розрядів в хмарах дало б можливість вирішити завдання із захисту різних об’єктів від грозових розрядів, що представляють собою пробій довгих повітряних проміжків в сотні і більше метрів [1]. Найімовірніше розрядні процеси є масштабно інваріантними. Тому основні причини, що викликають розряд в довгих повітряних проміжках між ЗАТ і стрижнем на заземленою площині, в лабораторних умовах, аналогічні тим же причинам, які відповідають за виникнення блискавок в грозових хмарах.

Штучне ЗАТ являє собою складну фізико-хімічну систему, яка за своїми властивостями наближається до таких маловивченим станів речовини, як аерозольна плазма. Основною компонентою ЗАТ, є заряджені краплі води, більшість з яких мають радіус, що лежить в межах від 0.1 до 0.4 мкм. Вони створюються генератором зарядженого аерозолю (Гза) [2].

Однією з цілей даної роботи було одержання спектрів часових реалізацій струмів різних стадій розрядних процесів, що спостерігаються експериментально. При цьому використовувалися як Фур’є, так і вейвлетного спектри. Особливістю вейвлетного спектрів є той факт, що вони дають можливість спостерігати зміну спектрального складу розрядного процесу в залежності від часу [3].

У даній роботі визначається також діапазон довжин електромагнітних хвиль, випромінюваних при лидерной процесі. Такого роду інформація є важливою в рамках проблеми ЕМС, оскільки дозволяє визначити шляхи створення ефективного захисту електронного устаткування при впливі на нього електромагнітних полів і електромагнітних імпульсів, що генеруються розрядами блискавки.

II. Експериментальний стенд

Для вивчення та моделювання розрядних явищ в грозових хмарах необхідно сформувати у вільному просторі стабільне заряджене освіту з досить високою щільністю об’ємного заряду [4]. Для цієї мети використовуються Гза різних типів.

Одним з найбільш перспективних методів отримання тонкодисперсних аерозолей є конденсація парів рідини при їх швидкому охолодженні. Така система аерозолеобразованія включає нагрівання рідини до кипіння при підвищеному тиску і випуск пари через сопло в робочий об’єм. В результаті швидкого розширення пара, що проходить через сопло, відбувається конденсація пари з утворенням тонкодисперсного аерозолю.

При утворенні ЗАТ конденсаційним методом необхідно також в робочому обсязі забезпечити достатню кількість центрів конденсації. Їх роль відіграють іони, що утворюються в коронному розряді, який використовується для зарядки аерозольних часток.

Рис. 1. Блок-схема експериментального стенду Fig. 1. Test bench flowchart

Штучне ЗАТ це порівняно нова фізико-хімічна система, процеси в якій можна регулювати за допомогою зміни електродинамічних параметрів ЗАТ, його хімічного складу і дисперсності середовища.

На рис. 1 представлена ​​блок-схема експериментального стенду з вивчення розрядних процесів в штучних ЗАТ. Гза конденсаційного типу 1 використовується для створення хмари сильно зарядженого водного аерозолю 3. Він створює струмінь гарячого зарядженого водного аерозолю на різних висотах над заземленою площиною 2 і забезпечує струм виносу заряду до 150 ЦА. Початкова швидкість витікання перегрітого пара знаходиться в діапазоні 380-420 м / с. Обсяг створюваного зарядженого аерозольного хмари досягає декількох кубічних метрів. Щільності об’ємного заряду на осі зарядженого аерозольного потоку знаходяться в діапазоні

1.5-10 4 -Г-1.0-1 СГ2 Кл / м3 (Менші значення відповідають віддаленим від сопла частинам зарядженого потоку). Виміряний потенціал зарядженого аерозольного хмари може досягати до 1,5 MB. В результаті, формується сильне неоднорідне електричне поле між заземленою площиною діаметром 1,5 м і зарядженим хмарою 3. Причому, напруженість поля може досягати 12 кВ / см поблизу заземленою площині і 22 кВ / см на кордоні хмари зарядженого аерозолю.

Для контрольованого ініціювання розрядів стрижень 4 був встановлений на площині. На вершині стержня закріплювалися сфери різного діаметру (від 10 мм до 50 мм). Сфери були ізольовані від стержня і заземлені через малоіндуктівний шунт

5. При проведенні експериментів були використані шунти двох номіналів: 4 Ом і 1,43 Ом. Ток розряду вимірювався цифровими осцилографами 6 Tektronix TDS 754D (смуга пропускання 500 МГц, частота дискретизації 2 ГГц) і Tektronix TDS 3052 (смуга пропускання 500 МГц, частота дискретизації 5 ГГц). Напруженість електричного поля і об’ємний заряд, накопичений в хмарі зарядженого аерозолю, контролювалися спеціальним струнним датчиком 9, розташованим на заземленою площині.

Оптична картина виникнення і розповсюдження розряду фіксувалася цифровою фотокамерою 7 Canon Power Shot G1, яка дозволяла реєструвати процеси в режимі ручного витримки до 8 секунд. В результаті, оптична картина виникає розрядного явища була синхронізована з знімається з шунта осцилограми струму даного розрядного процесу.

III. Лидерной стадія розряду

Всі представлені в даній роботі експериментальні результати відносяться до негативної полярності хмари, як ситуації, найбільш контрольованої при експериментах і характерною для природних грозових умов. В цьому випадку лидерной процес, в основному, розвивається від вершини заземленого стрижня в заряджене хмара водного аерозолю (висхідний лідер).

Попередником виникнення всіх стадій розрядних процесів є лавини електронів. Умовою розвитку лавини є перевищення швидкості іонізації молекул газу над швидкостями прилипання електронів до молекул газу та догляду електронів з області іонізації за рахунок їх дифузії [2].

Якщо розміри області розряду менше розрядного проміжку, то такий розряд називається коронним розрядом. Якщо він обмежений тільки лавинної стадією, то має місце лавинна корона. На її фоні можуть виникати окремі стримери. В цьому випадку спостерігається лавинно-стримерного стадія розряду. При подальшому збільшенні різниці потенціалів в проміжку між хмарою і електродом на заземленою площині, розряд переходить в стримерного стадію. Виникає стримерного коронний розряд. Існування стримерного корони ще не означає пробою проміжку ЗАТ стрижень на заземленою площині, але є необхідною умовою для переходу розряду з стримерного стадії в стримерного-лидерной. На цій стадії пробою на тлі стримерного корони зароджуються окремі ділянки лідерів, тобто області високотемпературної плазми. Лидерной стадія пробою характеризується утворенням потужного яскраво світиться високотемпературного плазмового каналу. Лідер поширюється по заздалегідь сформованому стримерного каналу. Температура в каналі лідера досягає декількох тисяч градусів (5000-6000 К [1]). Струм в каналі лідера досягає десятків і сотень ампер. Закінчується лидерной стадія розряду головним розрядом, тобто пробоєм повітряного проміжку між ЗАТ і стрижнем на заземленою площині.

Рис. 2. Лидерной процес, що закінчується головним розрядом

Fig. 2. A leader process ending in main discharge

На рис. 2 наведена фотографія головного розряду, завершального лидерной процес. У лівому верхньому кутку видно ЗАТ, розташоване під кутом до горизонту. У правому нижньому кутку фотографії видно стрижень на заземленою площині. На фотографії ясно видно високотемпературний плазмовий канал лідера. Він з’єднує стрижень і центр ЗАТ, зазначений стрілкою на рис.2.

Рис. 3. Тимчасова реалізація струму лидерной процесу

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

Виміряна тимчасова реалізація струму лидерной процесу наведена на рис. 3. Крок дискретизації г при експериментальних вимірах дорівнював 1 ns.

На рис. 4 наведено спектр потужності тимчасової реалізації струму лидерной процесу, що закінчується головним розрядом.

На рис. 5 наведено вейвлетного спектр лидерной процесу і головного розряду. Рис.5 показує, що високочастотні флуктуації струму відбуваються на протягу всього лидерной процесу, включаючи і його фінальну стадію головний розряд. Вони мають малу інтенсивність порівняно з інтенсивністю спектральних компонент головного розряду і лежать в діапазоні від 160 МГц до 250 МГц. Обчислена кореляційна розмірність цих коливань прямує до нескінченності. Таким чином, високочастотні коливання струму носять випадковий 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 потужності тимчасової реалізації ліверної процесу

Puc. 5. Вейвлетного спектр тимчасової реалізації струму ліверної процесу Fig. 5. The wavelet spectrum of the temporal realization of the leader process current

Puc. 7. Спектр електромагнітного випромінювання, що генерується головним розрядом

Головний розряд характеризується виникненням інтенсивних низькочастотних коливань, що лежать в діапазоні від 5 до 20 МГц. Амплітуди струмів головних розрядів досягають величини 20-30 А для цього штучного ЗАТ.

IV. Дипольне випромінювання, що супроводжує головний розряд

Добре відомо, що електричні розряди супроводжуються випромінюванням електромагнітних хвиль. При цьому, як відзначають багато дослідників, лидерной канал представляє собою добре провідну плазму [1]. Цей плазмовий канал, з нашої точки зору, і грає роль випромінюючого елемента. Таким чином, знаючи зміна струму розряду з часом можна визначити спектр електромагнітних хвиль, випромінюваних протягом розрядного процесу.

Дипольне випромінювання, як відомо, обумовлено похідної струму за часом, що протікає по провіднику, тобто фактично визначається крутизною струму. Напруженість електричного поля в напрямку перпендикулярному диполя, а в даному випадку плазмового каналу лідера, у разі р »/, описується виразом:

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

III. Висновок

Проведені експерименти в поєднанні з відомими моделями іскрових розрядів дали можливість класифікувати розрядні явища в штучних ЗАТ.

В даній роботі, використовуючи тимчасової реалізації струму, отриманий спектр випромінюваних електромагнітних хвиль, що супроводжує головний розряд. Вейвлетного аналіз показав, що спектр електромагнітного випромінювання при потужному пробої проміжку між ЗАТ і стрижнем на заземленою площині лежить в діапазоні від 25 МГц до 300 МГц. При цьому амплітуди компонент спектра мають практично однакову величину. Ця інформація може бути корисна при постановці експериментів з вивчення електромагнітних хвиль, що генеруються розрядними процесами, а також при вирішенні задач захисту електронної апаратури від випромінювання грозових розрядів в рамках проблеми ЕМС.

IV. Список літератури

[1] Базелян Е. М., Райзер Ю. П. Фізика блискавки і блискавкозахисту. М.: Физматлит, 2001. 320 с.

[2] Бортник І. М., Верещагін І. П., Сергєєв Ю. Г. та ін Електрофізичні основи техніки високих напруг. М.: Вища школа, 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. Вейвлетного спектр електромагнітного випромінювання головного розряду

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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.