Diagnostics of diaphragm discharge in liquids

Hlavním cílem této práce je diagnostika diafragmového výboje v kapalinách. Ačkoli byla v posledních letech objevena celá řada aplikací elektrického výboje v kapalinách, vlastní mechanismus vzniku tohoto výboje není dosud znám. Z těchto důvodů se tato práce zaměřila na studium dějů předcházejících samotnému zapálení výboje, zápalného napětí, samotného výboje jak v oblastech náhodného průrazu tak i pravidelnému výboji. Použitím roztoků dvou anorganických solí o různých vodivostech práce zkoumala ovlivnění diafragmového výboje a také celé V-A křivky z hlediska vodivosti a druhu elektrolytu. V poslední části práce zkoumala emisní spektrum produkované výbojem. V teoretické části práce jsou uvedeny mechanismy vzniku výboje v plynech včetně popisu jednotlivých druhů známých výbojů. Jsou také zmíněny základní teorie ke vzniku výboje v kapalinách. Měření probíhalo v reaktoru rozděleném dielektrickou přepážkou (diafragmou) s dírkou uprostřed na dva elektrodové prostory. Diafragma byla zhotovena z polyetylentereftalátu a dírka měla počáteční průměr 0,4 mm. Nerezové elektrody byly umístěny ve stejné vzdálenosti od diafragmy (2 cm) v držácích umístěných symetricky s diafragmou. Časově rozlišené charakteristiky průběhu proudu a napětí byly zaznamenávány pomocí dvoukanálového osciloskopu, který snímal jejich výstupní hodnoty. Hodnoty byly zaznamenávány za postupného zvyšování stejnosměrného napětí po cca 50 V, po dosažení pravidelně hořícího výboje bylo napětí postupně snižováno. Proměřovány byly sodné roztoky síranu a fosforečnanu při šesti různých vodivostech. Výbojem emitované záření bylo snímáno křemenným vláknem a přiváděno do spektrometru Jobin Yvon TRIAX 550. Emitované záření bylo zkoumáno pouze u jednoho druhu roztoku o dvou vodivostech. Ve výsledkové části jsou uvedeny veškeré závislosti a zákonitosti, na které se přišlo během měření a porovnávání veškerých naměřených dat. Naměřené dynamické charakteristiky stanovují zápalné napětí, popisují průběhu proudu a napětí určitých částí V-A charakteristik. Práce porovnává, jak na V-A charakteristiky působí změna vodivosti a také druhu anorganické soli. Zvýšením vodivosti se měřená charakteristická křivka posune směrem k nižšímu napětí, což znamená, že dojde ke snížení zápalného napětí. Změní-li se anorganická sůl, dochází ke změně napětí, při kterém začnou vznikat bublinky v okolí diafragmové membrány. Tato změna však žádným významným způsobem neovlivňuje zápalné napětí, jehož hodnoty si jsou ve stejných vodivostech velice blízké. Poslední část práce se zabývala optickou emisní spektroskopií výboje. Ve spektrech byly identifikovány čáry OH radikálu, jejichž intenzita v podstatě nezávisí na koncentraci soli. Práce ukázala jednotlivé děje probíhající v okolí diafragmy při přivádění stejnosměrného napětí na elektrody v roztoku až do okamžiku zapálení diafragmového výboje. Dále jsou prezentovány výsledky, jak tyto jednotlivé děje ovlivňuje změna vodivosti či elektrolytu. Bylo zjištěno, kdy nastává zapálení výboje a jeho závislost na vodivosti roztoku. Optická emisní spektrometrie nám objasnila, co obsahuje záření emitované výbojem.The main goal of this thesis is the diagnostics of the diaphragm discharge generated in liquids. Although many applications of electric discharge in liquids have been developed during the last years, the exact mechanism of the discharge ignition is not sufficiently known up to now. Based on this reason, this work focused on the investigation of processes before the discharge ignition, breakdown parameters and the discharge itself both in the irregular and stable regime. Using two kinds of inorganic salt solutions the work studied the influence of conductivity and electrolyte kind on the diaphragm discharge and its static current-voltage characteristics. The last task of the work investigated the emission spectra produced by the discharge. The theoretical part of the work presents mechanisms of the discharge generation in gases including the description of particular kinds of known discharges. The base theories of the discharge ignition in liquids are mentioned as well. Experiments were carried out in the reactor divided by the dielectric barrier (diaphragm) with a central pin-hole into two electrode spaces. Diaphragm was made of PET and the pin-hole initial diameter was 0.4 mm. Stainless steel electrodes were installed in the same distance of 2 cm from the barrier and symmetrically with respect to the diaphragm. Time resolved characteristics of current and voltage were recorded using two-channel oscilloscope which detected their output values. Parameters were measured by the constantly increasing DC voltage with a step of 50 V. When the regular discharge was ignited voltage had been gradually decreased. Used solutions contained sodium sulphate or sodium phosphate electrolyte at six different conductivities. Radiation emitted by the discharge was recorded by the spectrometer Jobin Yvon TRIAX 550. Emission spectra were investigated for one electrolyte at two different conductivities. The part with results presents all dependencies that were achieved during the measurements and all obtained data are compared. Recorded time resolved characteristics determine breakdown moment and describe current and voltage in particular parts within the static current-voltage curve. The work compares the influence of conductivity change on current-voltage characteristics as well as the effect of inorganic salt kind. By the conductivity enhancement the measured curve moves towards lower voltage which means that the breakdown voltage is decreased. Changing the inorganic salt the change of voltage related to the creation of bubbles in the diaphragm surroundings is observed. However, the change of electrolyte does not induce any significant change of the breakdown voltage. The last part of the work was focused on the optical emission spectroscopy of the discharge. Typical line system of OH radicals was identified in measured spectra which intensity was not dependent on the salt concentration. The work show particular processes taking place in the diaphragm surroundings when DC voltage is applied on the electrodes in electrolyte up to the diaphragm discharge ignition. Further, results describing the influence of conductivity and electrolyte changes on the processes are presented. The breakdown moment of the discharge and its dependence on the solution conductivity was determined. Optical emission spectroscopy revealed the contents of radiation emitted by the discharge.