Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Омарова Патимат Хасбулаевна

ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Специальность: 01.04.08 - Физика плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

физико-математических наук

Научный руководитель:

д.ф.-м.н., профессор Омарова Н.О.

МАХАЧКАЛА - 2016



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ (обзор литературы)

1.1 Особенности формирования газового разряда высокого давления

1.2 Анизотропия свойств плазмы газового разряда во внешнем продольном магнитном поле

1.3 Стадии формирования искрового канала при пробое инертных газов

1.4 Формирование и развитие искрового канала при пробое инертных газов высокого давления

ГЛАВА II.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Электрическая схема генератора импульсных напряжений до 50 кВ

2.2 Методы исследования электротехнических параметров разряда

2.3 Получение и измерение импульсных магнитных полей

2.4 Методы исследования пространственно-временных характеристик развития разряда

2.5 Спектральная диагностика плазмы газового разряда

ГЛАВА III.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА ВО ВНЕШНЕМ ПРОДОЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

3.1 Вольт-амперные характеристики газового разряда

3.2 Плотность тока разряда. Проводимость плазмы искрового канала во внешнем продольном магнитном поле

3.3 Энерговклад в разряд

ГЛАВА IV.ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЕ РАЗВИТИЕ РАЗРЯДА

4.1 Результаты экспериментального исследования пространственно-временных характеристик с помощью фотоэлектронного регистратора

4.2 Результаты экспериментального исследования развития разряда с помощью электро-оптического затвора Керра

4.3 Результаты экспериментального исследования геометрических характеристик картин свечения разряда

4.4 Общая картина формирования и развития искрового канала

ГЛАВА V. СПЕКТРАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБОЯ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ ВО ВНЕШНЕМ ПРОДОЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

5.1 Исследование спектров излучения газового разряда и определение параметров плазмы

5.2 Определение плотности электронов плазмы искрового канала

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА



ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Внимание специалистов к электрическим разрядам, обусловлено их применением в новейших областях науки и техники. Особое внимание уделяется газовым разрядам высокого давления во внешнем продольном магнитном поле. На основе явления пробоя газов работают устройства: быстродействующие коммутаторы тока [1, 2], генераторы импульсных напряжений [3, 4], экспериментальные разработки по квантовой электронике [5, 6], фотохимические приборы. Исследования в области газовых разрядов во внешнем продольном магнитном поле могут быть использованы при создании газовых лазеров, конструировании импульсных источников излучения, при оптимизации режимов плазмохимических реакторов. В последнее время формирование искрового канала при пробое инертных газов исследуется с целью выяснения механизма контракции. Исследования разряда в смеси аргона с галогеносодержащими соединениями применяются для создания активной среды в эксиплексных и эксимерных лазерах [7].

Как известно из литературы к настоящему времени рассматриваются следующие теории пробоя газов:

1. Таунсендовская теория;

2. Стримерная теория;

3. Смешанная теория пробоя для областей перехода от недонапряжений к перенапряжениям;

4. Теория пробоя для больших значений отношений напряженности поля к давлению;

5. Плазменная теория.

Разработаны и применяются следующие классические механизмы пробоя - таунсендовский, стримерный и плазменный [8-11]. В последние годы в связи с усовершенствованием современной экспериментальной техники значительно расширился диапазон исследований пробоя газов в плотных средах в условиях анизотропии.

Для выяснения природы плотных плазменных приэлектродных образований в разряде, следует продолжить исследования пробоя газов высокого давления во внешнем продольном критическом магнитном поле, и исследовать его влияние на устойчивость ОР, уточняя при этом понимание процессов формирования катодного слоя, а так же формирование и прорастание искрового канала. Вследствие чего, возникает необходимость разработки более совершенной теории объемного разряда.

Отсутствие единого мнения о механизме формирования и развития пробоя во внешнем продольном магнитном поле и без него, ограничение доступных сведений о параметрах переходных стадий (силе и плотности тока, широкий разброс данных по концентрации электронов, проводимости и энерговкладу в разряд), позволяет утверждать о необходимости создания единой теории пробоя газов в условиях анизотропии плазмы.

В виду недостаточности экспериментальных результатов во внешнем магнитном поле при пробое инертных газов (Ar, He),с образованием и развитием искрового канала для различных типов разрядов (таунсендовского, стримерного и объемного) возникла необходимость дальнейшего исследования. Мало исследован процесс образования и горения ОР и СДР, и их контракция в искровой канал.

Так как инертные газы широко применяются в качестве буферного газа в активных средах газовых и эксимерных лазеров, и в лазерах на пеннинговских смесях инертных газов, то исследование формирования импульсного пробоя в этих газах является важной задачей. Решить которую возможно изучая физику электрического пробоя газов высокого давления, на основе получения более детальных экспериментальных результатов об основных характеристиках и структуре разряда. Особый самостоятельный интерес представляет исследование картин развития неустойчивостей объемных разрядов, при изменении начальных условий (давления газа, величины поля, концентрации первичных электронов, межэлектродного расстояния).

Расширяющийся сильноточный искровой канал давно применяется как импульсный источник излучения в широком диапазоне длин волн. Нарастание проводимости в искровом канале имеет практическое применение в решении проблемы коммутации больших токов, формирование и развитие высоковольтных импульсов напряжения, мощных электронных пучков и т.д. В искровом канале за короткое время (~10^-7 с) выделяется значительная энергия, что и определяет его расширение, а в сильном магнитном поле эти процессы ускоряются. Поэтому интересен вопрос об эффективности использования таких разрядов в качестве интенсивного источника излучения. Особый интерес представляет исследование излучательных характеристик разряда во внешнем критическом магнитном поле, а именно распространение излучения в продольном и поперечном направлениях относительно направления развития разряда. Характер протекания высокотемпературных газодинамических процессов и связанных с ними оптических явлений, позволяет определить роль различных механизмов, участвующих в переносе энергии в радиальном направлении. Учитывая, что сильное продольное магнитное поле создает упорядоченную структуру, как в газе, так и в его ионизованном состоянии можно предположить, что анизотропия приведет к изменению энергетических, излучательных и временных характеристик разряда.

Анализируя проблемы, существующие в данной области физики, не получившие должного объяснения (к моменту начала данной работы), можно выделить:

1. Локальность экспериментальных данных о механизмах пробоя в коротком межэлектродном пространстве при высоком давлении газа во внешнем продольном магнитном поле. Недостаток надежных экспериментальных данных и отсутствие общего мнения о процессе излучения, качественного и количественного его обоснования.

2. Ограниченность научных работ по исследованию теории процессов, приводящих как к возникновению, так и к нарушению устойчивости плазмы катодной области в газах в перенапряженных межэлектродных пространствах.

3. Разнообразие элементарных процессов, протекающих в ОР, сложность их экспериментального и теоретического изучения, а так же исследование спектрального состава излучения из приэлектродной плазмы, формирующегося в режиме распыления материала вещества электродов.

4. Влияние внешнего критического магнитного поля на энергетические характеристики всех стадий развития разряда особенно канало-дуговых, рассматриваемых как источник когерентного и некогерентного излучения в УФ и видимой области спектра.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование и теоретическое обоснование механизмов формирования и развития газового разряда во внешнем продольном магнитном поле, при наличии внешнего ионизатора, создающего концентрацию электронов 10⁶ см^-3, при давлениях выше атмосферного. Изучение явления образования и прорастания искрового канала в результате формирования на поверхности электрода (катода) источников термоэлектронной эмиссии. Определение макропараметров (тока и напряжения), микропараметров (температуры и концентрации электронов) и излучательных характеристик разряда во внешнем продольном критическом магнитном поле.

Основные задачи исследования:

- разработка и развитие методов комплексного экспериментального и теоретического исследования пробоя газов во внешнем магнитном поле;

- исследование динамики формирования и развития искрового канала газового пробоя при изменении начальных условий;

- исследование возможности управления характеристиками сильноточного газового разряда высокого давления с помощью внешнего сильного продольного магнитного поля, а именно, уменьшение времени формирования и резкого спада напряжения на промежутке

- определение влияния анизотропии, вызванной внешним продольным критическим магнитным полем, на характеристики газового разряда;

- изучение оптических и спектральных характеристик плазмы сильноточного разряда;

- исследование возможности повышение температуры плазмы, увеличивая скорость ввода энергии в искровой канал с одновременным уменьшением потерь на излучение и на его расширение.

Объектом исследования является газовый разряд высокого давления во внешнем магнитном поле напряженностью от 90 до 400 кЭ, который сопровождается формированием искрового канала в межэлектродном промежутке (0,3 - 1 см) в инертных газах, в широком диапазоне давлений от 760 до 3000 Торр.

Методы исследования

Для решения поставленных целей и задач использован комплексный подход к исследованию газового разряда высокого давления во внешнем магнитном поле, который состоит из физического эксперимента и анализа полученных данных на основе разнообразных экспериментальных методов:

- метод исследования регистрации электро-технических параметров разряда;

- метод регистрации пространственно-временных - оптических картин развития сильноточного разряда при помощи электрооптического затвора Керра (ЭОЗ) и электронно-оптического преобразователя (ЭОП);

- метод регистрации спектров излучения разряда с временным разрешением до 10 нс с использованием спектрографа и ВФУ;

- метод штарковского уширения и относительных интенсивностей спектральных линий для расчета концентрации и температуры электронов в плазме сильноточного разряда.

Научная новизна исследования

- Проведено комплексное исследование электрических (электротехнических), оптических (пространственно-временных), и спектральных характеристик сильноточного разряда высокого давления в инертных газах (Ar, He), во внешнем сильном магнитном поле, результатом которого стало разграничение процесса пробоя инертных газов на следующие стадии: распространение лавино-плазменных стримеров - диффузное свечение (тлеющий объемный разряд); образование катодного пятна с дрейфом электронного пучка в усиленном электрическом поле с последующим образованием узкого искрового канала (r~0,1 мм); расширение искрового канала с переходом в квазистационарную дугу (с r >1 мм); деионизация плазмы.

- Выявлены закономерности формирования и развития сильноточного разряда при изменении начальных условий (напряжения пробоя, межэлектродного расстояния, давления газа, концентрации затравочных электронов, создаваемых предварительной фотоионизацией промежутка). Показано, что при наличии предварительной фотоионизации газа рождение электронов происходит в процессе ступенчатой ионизации, а основным каналом гибели электронов является диссоциативная рекомбинация.

- Впервые исследовано влияние внешнего продольного магнитного поля на динамику плазмы формирующегося катодного пятна и расширяющегося искрового канала. Показано, что степень влияния на поперечный перенос энергии ионизации плазмы искрового канала определяется градиентом магнитного давления на границе плазма - нейтральный газ.

- Экспериментально показано, что при пробое инертных газов высокого давления во внешнем сильном магнитном поле поперечное излучение из плазмы уменьшается почти в 2 раза, а излучение в продольном направлении увеличивается (анизотропия излучения прозрачной плазмы вдоль и поперек разряда).

- Впервые исследовано влияние внешнего продольного магнитного поля на спектральные характеристики искрового канала. Экспериментально показана возможность управления характеристиками сильноточного газового разряда высокого давления с помощью внешнего сильного продольного магнитного поля, а именно, уменьшение времени формирования и резкого спада напряжения на промежутке.

- С ростом напряженности магнитного поля максимум спектральной плотности непрерывного излучения перемещается в область спектра коротких длин волн.

- Показано, что в продольном магнитном поле можно повысить температуру, увеличивая скорость ввода энергии в искровой канал с одновременным уменьшением потерь на излучение и на его расширение.

Научная и практическая значимость

- Результаты, приведенные в работе, важны для понимания механизмов развития разряда высокого давления и будут способствовать дальнейшему развитию физических представлений о процессах, протекающих в разряде.

- С практической точки зрения, полученные новые закономерности и сделанные выводы интересны тем, что позволяют выявить возможности построения источников изучения в УФ и в видимой областях спектра.

- Результаты по изучению нарастания проводимости в искровом канале могут использоваться в решении проблемы коммутации больших токов, формировании высоковольтных импульсов напряжения и мощных электронных пучков.

- Результаты по формированию сильноточного диффузного разряда могут быть использованы в оптимизации параметров газовых лазеров.

- Результаты по исследованию эффективности фотоионизации и кинетики ионов в фотоплазме - в улучшении систем инициирования газовых ОКГ.

- Результаты исследования влияния продольного магнитного поля на спектральные характеристики разряда указывают на возможность создания импульсных источников излучения с регулируемым спектральным составом.

На защиту выносятся следующие основные положения

- Динамика формирования и развития искрового канала в инертных газах, во внешнем критическом магнитном поле.

- Зависимость концентрации электронов, скорости прорастания и расширения искрового канала от величины напряженности внешнего продольного магнитного поля.

- Смещение максимума спектральной плотности непрерывного излучения в магнитном поле в область коротких длин волн.

- Возможность получения высокотемпературной плазмы в малых объемах с управляемыми параметрами.

- Изменение спектрального состава излучения плазмы сильноточного разряда высокого давления в сильном магнитном поле.

- Усиление интегральной интенсивности излучения плазмы сильноточного разряда в инертных газах в продольном направлении, и ее уменьшение в поперечном направлении развития разряда в сильном магнитном поле.

- Получение в критическом магнитном поле новых спектральных линий как в УФ, так и в видимой области спектра.

Вклад автора в получении результатов и изложенных в диссертации выводов заключается в том, что автор внесла основной вклад во все этапы экспериментального исследования формирования и развития искрового канала, рассмотренного в представляемой диссертации и отраженного в научных публикациях с соавторами. Экспериментально исследовала влияние различных начальных условий на формирование и развитие канала. Показала, что скорость прорастания канала определяется плотностью тока. Обнаружила влияние внешнего критического продольного магнитного поля на энерговклад и спектральный состав излучения разряда. Предложила использование этого явления при разработке импульсных источников излучения с регулируемым спектральным составом и более высоким коэффициентом полезного действия.

Апробация работы.

Результаты докладывались на следующих конференциях: Международная конференция (ФИРКС, Украина, г. Николаев, 2012); Всероссийская научная конференция молодых ученых (ВНКСФ, г. Ижевск, 2015); VI International Conference “Plasma Physics and Plasma Technology” (Minsk, Belarus, 2009); Всероссийская конференция «Физика низкотемпературной плазмы» (Казань, 2014); IV, V, VII, VIII Всероссийская конференция «Физическая электроника» (Махачкала, 2006, 2008, 2012, 2014); Всероссийская конференция «Современные проблемы физики плазмы» (Махачкала, 2013); XXXVI, XLI, XLIII Международная конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2009, 2013, 2016); Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности (Тамбов, 2015); Двадцать первая Всероссийская конференция студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-21» (Омск, 2015), а также на научных семинарах ДГУ.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 30 работ. Из них статей в журналах входящих в Перечень ВАК- 9, тезисов и докладов в материалах конференций- 21.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения; содержит 151 страниц, включая 47 рисунков и 11 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 100 наименований.



СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена научная и практическая значимость диссертационной работы, сформулированы основные задачи, цели и методы исследования, а также основные положения, которые выносятся на защиту, показана научная новизна полученных результатов.

В первой главе приводится краткий обзор экспериментальных и теоретических работ, описывающих формирование и развитие искрового канала при пробое газов высокого давления во внешнем продольном магнитном поле. Особое внимание уделяется вопросу формирования искрового канала. Приводятся теоретические модели, объясняющие формирование искрового канала в инертных газах.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных установок, методик исследования пробоя газов в сильном магнитном поле и анализу погрешностей измерений. Экспериментальная установка собрана из двух независимых электрических схем, работающих синхронно при помощи блока синхронизации (ГИН) - генератор импульсных напряжений и генератор импульсных магнитных полей (ГИМП). Подробно описаны основные элементы установки: генератор импульсов напряжения, разрядная камера, соленоид, коммутирующий вакуумный разрядник, система предионизации и синхронизации.

Рассматриваются и обосновываются методы экспериментальных исследований.

Разрядный промежуток облучался дополнительным искровым разрядом УФ источника расположенном на расстоянии 5-7 см от оси основного разрядного промежутка. В этом положении подсвечивающая искра дает возможность сформировать равную по оси концентрацию затравочных (начальных) электронов в одном случае, и в другом - одинаковую концентрацию по сечению.

При формировании УФ ионизации использовалась система на тиратроне типа ТГИ1-400/16. Подсвет, или УФ излучение разряда, с энергией 0,3-0,4 Дж, создает концентрацию затравочных электронов в Ar n₀ 10⁶ см^-3, а при таких же условиях в Не - n₀ ~ 10⁸ см^-3.

Внешнее магнитное поле создавалось за счет разряда батареи конденсаторов через соленоид, внутри которого и находился изучаемый промежуток. Параметры системы емкостной накопитель - соленоид подбирались по требованиям обеспечения квазистационарности внешнего магнитного поля. Конструкция соленоида и его тип выбирался, исходя из требуемой величины магнитного поля, механической прочности, простоты конструкции.

В третьей главе диссертации представлены результаты экспериментального исследования электрических характеристик разряда. По измеренным значениям разрядного тока и напряжения оценена плотность заряженных частиц на различных стадиях разряда.

Приводятся осциллограммы тока и напряжения, и зависимость времени формирования от прикладываемого напряжения. По времени начальный рост тока соответствует появлению свечения у анода, а переход к резкому росту - образованию катодного пятна и диффузного канала.

Показано, что скорость прорастания искрового канала от катодного пятна определяется плотностью тока, с ростом которой скорость возрастает. Проводимость плазмы сформировавшегося искрового канала слабо зависит от напряженности внешнего электрического поля.

Продольное магнитное поле приводит к увеличению удельного энерговклада в разряд, что приводит к увеличению проводимости плазмы, плотности тока. Температура электронов, определенная по проводимости оказалась равной 2·10⁴-3·10⁴ К. Во внешнем магнитном поле наблюдается рост температуры.

С увеличением перенапряжения средняя плотность тока разряда уменьшается (вследствие увеличения числа катодных пятен и каналов) соответственно уменьшается и скорость прорастания искрового канала. При определенных условиях развитие разряда затормаживается на промежуточной стадии - сильноточный диффузный разряд (СДР). На основе экспериментальных исследований сделаны следующие оценки. Плотность тока в СДР (10⁴А/см²) на порядок меньше чем в искровом канале. Проводимость плазмы СДР составляет 30- 40 0м^-1 см^-1, а соответствующая температура электронов 10⁴ К. Длительность горения СДР с удельной мощностью 10⁷ Вт/см³составляет 10^-6 с, соответственно максимальный энерговклад- 10 Дж/см³·атм. Концентрация заряженных частиц, соответствующая температуре электронов 10⁴ К, равна 10¹⁷ см^-3. В таких условиях рождение электронов происходит в процессе ступенчатой ионизации, а основным каналом гибели электронов является диссоциативная рекомбинация. Разряд в таком режиме горения может быть использован для возбуждения эксимерных лазеров.

Четвертая глава посвящена исследованию пространственно-временного развития разряда различными методами регистрации оптических характеристик разряда. Показано, что первое регистрируемое свечение в промежутке появляется на аноде при таунсендовском разряде, которое со скоростью 10⁷ см/с замыкает разрядный промежуток, причем, диаметр свечения существенно зависит от формы электродов (степени однородности поля). Канал инициируется ярким катодным пятном, появление которого по времени соответствует началу резкого роста тока и спаду напряжения. Скорость прорастания яркого искрового канала по диффузному столбу оказалась равной ~10⁷ см/с.

Экспериментально установлено, что переход к стримерному механизму наблюдается при перенапряжении равном 20%. Стример не трансформируется в искровой канал. Канал инициируется ярким свечением, появляющимся в промежутке на расстоянии от катода равном критической длине лавины. Яркое свечение со скоростью ~10⁶ см/с распространяется к обоим электродам. Одновременно со свечением, инициирующим искровой канал, формируются катодные пятна слабой интенсивности.

Интенсивная предварительная ионизация газа (10⁸ см^-3) приводит к новой форме разряда. При всех исследованных значениях пробойного напряжения первое регистрируемое свечение возникает у анода (как и в случае таунсендовского разряда) и со скоростью 10⁷ см/с замыкает разрядный промежуток. Затем формируется яркое катодное пятно и привязанный к нему диффузный канал. И от катодного пятна вглубь промежутка прорастает яркий искровой канал. С увеличением перенапряжения число катодных пятен и привязанных к ним диффузных каналов растет, а скорость прорастания уменьшается (~ 10⁶ см/с, = 50%).

Множество диффузных каналов, сливаясь, образуют широкий столб однородной плазмы. Начиная с перенапряжений 75%, разряд затормаживается на промежуточной стадии (СДР).

Внешнее продольное магнитное поле увеличивает скорость прорастания искрового канала, но практически не влияет на характеристики диффузного канала. Скорость расширения канала при наложении магнитного поля уменьшается. С увеличением напряженности внешнего магнитного поля скорость расширения канала растет.

В пятой главе рассматриваются результаты исследования спектральных характеристик разряда в Ar. Спектр излучения прорастающего искрового канала характеризуется атомарными, ионными линиями аргона и интенсивным континуумом в области 350-360 нм. Максимальная яркость ионных линий и непрерывного излучения достигается через 300-400 нс с начала резкого роста тока.

В магнитном поле интенсивность непрерывного излучения и интенсивность спектральных линий в УФ области возрастает. Яркость спектральных линий в видимой области незначительно уменьшается. С ростом напряженности магнитного поля максимум интенсивности непрерывного излучения смещается в коротковолновую область. Этот результат может быть использован для формирования импульсов излучения с регулируемым спектральным составом.

Определена температура электронов в плазме искрового канала по относительной интенсивности спектральных линий. Показано, что во внешнем продольном магнитном поле температура плазмы возрастает.

Оценена плотность электронов в плазме канала по штарковскому уширению спектральных линий ионов аргона ( 10¹⁸см^-3). Во внешнем продольном магнитном поле концентрация заряженных частиц возрастает.

По уширению линий атомарного аргона определена плотность электронов в плазме СДР. Значение концентрации заряженных частиц ~10¹⁷ см^-3 оказалась близка к равновесному значению при 10⁴ К.

В заключение диссертации сформулированы основные результаты работы.



ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ (обзор литературы)

Существует ряд специфических особенностей при формировании искрового разряда инертных газов во внешнем продольном магнитном поле, которое связано с нелинейными процессами в межэлектродном промежутке. А именно: процессы зарождения и распространения ионизационных фронтов на предпробойных стадиях разряда; термоэлектронная эмиссия, формирующая искровой канал; различные ионно-молекулярные и плазмохимические реакции, когерентное и некогерентное излучения.

1.1. Особенности формирования газового разряда высокого давления

В научной литературе 30-40-х годов XX в. было замечено, что при разрядном токе, превышающем 1А, в воздухе за первым резким спадом напряжения на разрядном промежутке после некоторой задержки, следовал дальнейший спад напряжения до некоторой величины. Согласно временной оси продолжительность всей второй фазы менее 1 мкс и при уменьшении давления длительность ее увеличивается. В работах Роговского [12] первая ступень на кривой напряжения связывается, с формирующимся диффузным тлеющим свечением и показано, что окончательное падение потенциала на разрядном промежутке связано с образованием искрового канала.

Динамику развития свечения с малым временем экспозиции можно наблюдать при помощи электрооптического затвора (ЭОЗ) [13]. Последующие исследования с применением ЭОП [14-17] показали, что с образованием источника термоэлектронной эмиссии на катоде, формируется искровой канал. При давлении 500-2700 Торр разряд в водороде инициируется короткой вспышкой УФ излучения. Искровой канал при напряжениях близких к статическим формируется в два последовательных этапа. Первый этап - наблюдается со стороны анода прорастание нитевидных каналов, которые обрываются, не доходя до катода. Второй этап - образование высокопроводящего искрового канала из плазменного очага на катоде. В высокопроводящем искровом канале устанавливается частичное локальное термодинамическое равновесие (ЧЛТР) и можно измерить распределение плотности и температуры электронов. Предполагалось [18], что стадия диффузного свечения, несмотря на малую продолжительность, обладает той же структурой и свойствами, как и тлеющий разряд постоянного тока при высоком давлении с положительным столбом, темным фарадеевым пространством и диффузным отрицательным свечением. Причем плотность тока катодного пятна при 500 Торр в водороде находится в согласии с данными полученными для разрядов постоянного тока [19]. Выявлена зависимость тока диффузной фазы от геометрии электродов (размеров и формы) и от внешнего ограничивающего сопротивления, с ростом которого длительность диффузной фазы растет [20]. Внешнее сопротивление оказывает влияние, если оно соизмеримо с сопротивлением столба разряда. В случае с большими плоскими электродами ярко выражена ступень на кривой напряжения, а в случае с острыми электродами ступени фактически нет (в однородном поле). Более того, продолжительность тлеющей фазы зависит не только от геометрии, но и от состояния поверхности электродов [21]. Что и позволяет разъяснить расхождение полученных экспериментальных данных с данными других авторов.

При пробое воздуха (однородное поле), на кривой напряжения наблюдается двухступенчатый спад (рис. 1.1а) [1]. Для других газов возможен и одноступенчатый спад [22] (рис. 1.1б) без переходного свечения. Еще одна форма спада напряжения на кривой, при которой напряжение сначала падает до напряжения диффузного свечения и далее убывает до нуля (рис. 1.1в) [23].

Наблюдение за этой формой пробоя показали, что существует лишь переходный тлеющий разряд без последующей канальной стадии. При увеличении перенапряжения ступенчатое падение сменяется прерывистым.

Рис. 1.1. Разнообразные формы падения напряжения на разрядном промежутке: а) двухступенчатый спад напряжения; б), в) одноступенчатый спад напряжения.

Переход происходит при определенном значении перенапряжения, которое является функцией произведения давления на длину промежутка и зависит от сорта газа.

С помощью высокочувствительного фотоэлектронного преобразователя [24], было обнаружено, что после начала роста тока разряда возникают светящиеся фронты (три фронта). Первый светящийся фронт начинается у катода и направляется к аноду со скоростью 2·10⁸ см/с и он же инициирует следующий фронт, который направляется к катоду со сравнимой скоростью. На этой стадии темное пространство постепенно исчезает и к аноду движется третий фронт. После появления этих волн на поверхности электрода образуется яркое катодное пятно, при этом величина тока возрастает до 150 А. При достижении катодным пятном определенной степени развития, возникает свечение замыкающее электроды. Во время этого ток достигает значений тока дуги. Сравнение оптической картины с осциллограммами тока позволяет оценивать плотность заряженных частиц на определенных стадиях. Во временном интервале 0-540 нс в межэлектродном промежутке протекает ток электронных лавин. Конкретный вид разряда внешне характеризуется менее интенсивным свечением межэлектродного пространства [25]. Плотность электронов и ионов при завершении данной стадии составляет менее 10¹¹ см^-3. А на стадии распространения ионизационных фронтов плотность электронов становится ~ 10¹³ см^-3.

В зависимости от вводимой в разряд энергии может произойти переход к интенсивной канальной стадии, после формирования катодного пятна [19].

Экспериментальное исследование процесса формирования и развития искрового канала в водороде [26] выявило, что начальные фазы разряда могут быть описаны таунсендовским механизмом.

Анализ вышеизложенного указывает на то, что двухступенчатый спад напряжения наблюдается при маленьких перенапряжениях. Первой ступени соответствует формирование диффузного свечения с характерной для тлеющего разряда структурой, фарадеевым темным пространством и диффузным положительным столбом. Второй ступени напряжения - образование на катоде источника интенсивной термоэлектронной эмиссии (катодного пятна) и прорастание канала.

При увеличении перенапряжения, как известно, пробой происходит по стримерному механизму. Основным критерием стримерных пробоев является соотношение

(1.1)

Условие (1.1) характеризует состояние лавины, когда число ионов в ней больше некоторого критического, поле в промежутке искажается пространственным зарядом головки лавины [27].

Когда электронов в лавине становится , то её характеризуют следующие признаки: поле внутри лавины становится сравнимым с внешним полем, она начинает излучать достаточное число ионизирующих фотонов и в усиленном поле лавины быстро распространяется слабопроводящее образование в сторону анода и катода. Несмотря на эти признаки, будет протекать стримерный разряд [27, 28].

Критические перенапряжения для различных значений в воздухе приведены в работе [29]. Можно привести другой вид условия стримерного пробоя:

(1.2)

здесь - расстояние, пройденное лавиной до перехода в критическое состояние. Время формирования лавины до критической плотности электронов и времени распространения стримера. Вторая составляющая намного меньше, чем первая, поэтому [30]

, (1.3)

где - первый ионизационный коэффициент, - дрейфовая скорость электрона.

Бабич Л.П., Лозанский Э.Д., Никандров Д.С., Цендин Л.Д. и др. [31-34] связывали формирование искрового канала с образованием катодного пятна. Как только стример подходит к катоду в результате автоэлектронной эмиссии в усиленном поле образуется катодное пятно - обильный источник электронов и от катода к аноду пробегает волна отрицательного напряжения, оставляя за собой сильно ионизированный канал.

Очевидно, расхождения в данных различных авторов объясняются различной чувствительностью применяемой аппаратуры. Принимая во внимание тот факт, что плотность частиц в стримерном канале соответствует плотности электронов в лавине критического размера, то

см^-3.

Оценивая данное выражение, предполагалось, число электронов в лавине составляет 10⁸ и радиус лавины 10^-2 см [27]. Дрейфовая скорость электронов при характерных значениях составляет 10⁷ см/с.

Таким образом, для тока стримера запишем выражение

А.

В канале на последующих стадиях нарастание проводимости определяет спад напряжения на промежутке, так как сопротивление стримерного канала составляет 10⁵ 0м.

Большие значения тока (10² А) относятся не к стримеру, а лидерному каналу [16].

Изучение спектральных характеристик стримерного разряда в N₂ [35] показало, что температура на оси канала достигает значения 5·10⁴-6·10⁴ К, спустя 1,5 мкс она уменьшается до 3·10⁴ К вследствие радиального расширения канала и недостатка подвода энергии. Совпадение температуры, полученной из интенсивностей различных линий, свидетельствует о наличии локального термодинамического равновесия, которое устанавливается в условиях эксперимента через 200 нс после подачи импульса напряжения. Предразрядный канал переходит в искровой при токе 10 А.

В условиях интенсивной предварительной ионизации в разрядном промежутке формируется объемный разряд, который спустя некоторое время переходит в резко неоднородный по радиусу искровой канал [36, 37].

При пробое перенапряженных промежутков [38] образование искрового канала обусловлено взрывными процессами на катоде, приводящими к образованию катодного пятна. Исследование перехода объемного в канальный разряд, методом «незавершенного разряда» [39] показало, что образование катодного пятна приводит к увеличению плотности тока у катода и формирование искрового канала. Определенная по штарковскому уширению спектральных линий плотность электронов в объемном разряде, оказалось порядка 10¹⁶ см^-3, а температура электронов 1,5 эВ.

Объемный разряд в различных режимах плотности тока (10² А/см² и 10³ А/см²) переходит в канальную форму по-разному [36]. Первый режим осуществляется при наличии интенсивной УФ подсветки, второй без подсветки. Объемный разряд в своем развитии проходит следующие стадии:

1) однородное по объему диффузное свечение с темным прикатодным пространством;

2) расслаивание разряда на отдельные диффузные каналы, яркость которых на начальных стадиях незначительно превышает яркость диффузного свечения;

3) образование катодного пятна и пробой катодного слоя.

Авторы [40] высказывают мысль о схожести механизма формирования искрового канала в различных типах разряда. Сравнение с таунсендовскими разрядами показывает, что эти разряды соответствуют разрядам с большой плотностью тока (800 А/см²). Начиная с объемной, стадии имеют сходные этапы развития [40].Существенное различие в динамике нарастания проводимости проявляется при формировании объемной стадии, т.е. от момента приложения напряжения до момента его резкого спада.

Анализ экспериментальных результатов показывает, что в процессе перехода от объемного разряда к искровому имеют место следующие фазы развития: квазистабильный тлеющий разряд, объемный разряд с катодным пятном, объемный разряд с катодным пятном и диффузным каналом, привязанным к пятну, и контрагированный искровой канал.

Для объяснения механизма перехода от объемного к искровому разряду и оценки времени формирования пробоя привлекают ряд теорий, которые показывают, что протекание тока в разряде неустойчиво, т.е. разряд контрагируется. Под контракцией понимают нарастание проводимости в токовой нитке или во всем объеме. Условия эксперимента определяют причины контракции. Они могут быть различными. Для одних случаев канал, прорастающий со стороны анода и обрывающийся на границе катодного слоя, для других же случаев непосредственной причиной, приводящей к прорастанию искрового канала, является возникновение катодного пятна.

Комплексное исследование неустойчивостей методом малых возмущений проведено в работах многих авторов. Самыми обобщающими являются два вида неустойчивостей: тепловая и ионизационная [41]. При тепловом механизме контракции необходимое условие - нагрев нейтрального газа на оси разряда при протекании тока. При повышении температуры плотность газа уменьшается, следовательно, увеличивается отношение и ионизация. Такого вида неустойчивость имеет характерное время развития в атомных газах

(1.4)

где - проводимость газа и - плотность газа в объемном разряде, - показатель адиабаты, - давление газа, - постоянная, характеризующая газ, - напряженность электрического поля. Концентрация электронов при этом меняется по закону

(1.5)

Для однородного горения объемного разряда необходимо, чтобы промежуток не замыкался стримером или до достижения лавин критических размеров они перекрывались [36]

(1.6)

где - начальная концентрация электронов, - коэффициент диффузии электронов, - расстояние, на котором плотность ионов в лавине становится критической.

Соотношение (1.6) означает, что электронные лавины, развивающиеся в промежутке, до перехода в стример перекрываются и образуют однородный фон. Тогда не будет искажения поля одиночной лавиной- не будет стримерного пробоя.

В условиях интенсивной предварительной ионизации и при высоких перенапряжениях контракция, т.е. образование искрового канала, носит своеобразный характер [42]. На первом этапе развития процесса во времени, так же как и в молекулярных газах образуется катодное пятно и привязанный к нему диффузный канал. В дальнейшем происходит не переход диффузного канала в искровой, а образуются новые катодные пятна и диффузные каналы, которые сливаясь между собой, дают однородный столб плазмы. Таким образом, переход от объемного разряда к искровому затормаживается на промежуточной стадии. Такой вид разряда получил название - СДР. Плотность тока в СДР достигает значения 3,5·10³А/см².

На основании исследования спектра излучения прикатодной плазмы показано, что плотность электронов в плазме катодных пятен достигает значения 10¹⁸-10¹⁹ см^-3. Объемный разряд с ионизационным размножением занимает всю рабочую поверхность электродов, в то время как СДР занимает существенно меньшую поверхность.

Отметим также, что катодные пятна наблюдаются уже в первые наносекунды после начала роста тока и практически окончательно заполняют, соответствующую площадь на катоде через 10-20 нс. Анодные пятна возникают на более поздних стадиях горения разряда (через 20-30 нс после начала роста тока). СДР формируется за счет распространения диффузных каналов из катодных и анодных пятен. Скорость прорастания каналов не менее 2·10⁷ см/с.

Однородность протекания тока до формирования искрового канала зависит от интенсивности предварительной ионизации. Поэтому в работах [37] изучалось развитие разряда в инертных газах (гелий, аргон) при высоких перенапряжениях и влиянии механизма инициирования начальных электронов.

Сравнение результатов электронно-оптических съемок при различных условиях предионизации показывает, что при (- радиус лавины критических размеров) стримерный пробой не наблюдается.

Используя специальные условия инициирования малого числа начальных электронов у катода, для первого ионизационного коэффициента в аргоне получено выражение

, (1.7)

где - 33 (см Торр)^-1, 22,7 (В/см Торр)^1/2.

Измеренные значения дрейфовой скорости находились в удовлетворительном согласии с [17]

. (1.8)

В работе [43] приводятся минимальные значения начальной концентрации с учетом радиуса лавин в условиях преобладания электростатического расталкивания над диффузным расширением, т.е.

(1.9)

где - внешнее поле, - дрейфовая скорость электронов. Тогда условие аналогичное (1.6) имеет вид

(1.10)

Условия (1.6) и (1.10) являются пороговыми, определяющими по какому механизму будет формироваться искровой канал.

1.2. Анизотропия свойств плазмы газового разряда во внешнем продольном магнитном поле

Плазма обладает анизотропными свойствами по отношению к магнитному полю. Приложение магнитного поля заметно меняет развитие пробоя на всех его этапах, что позволяет выявить физические процессы, соответствующие этим этапам. Особый интерес представляют исследования влияния внешнего продольного магнитного поля на характеристики разряда инертных газов: времена формирования разряда, резкого спада напряжения и горения квазистационарной дуги; силу тока и напряжение пробоя; мощность и энергию, выделяемые в разряде; электронную температуру и концентрацию частиц в различные моменты времени [43-45]. Данные исследования объясняются плазменной моделью пробоя газов, которая связывает разряд с формированием в диэлектрике плазменной структуры, определяющей все последующие стадии развития разряда [46].

В данной работе изучается разряды в инертных газах, которые являются диамагнитными веществами или диамагнетиками, магнитные моменты атомов или молекул которых при отсутствии внешнего магнитного поля равны нулю, т.е. векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов равна нулю. При внесении диамагнетика в магнитное поле, в каждом его атоме наводится магнитный момент , направленный противоположно вектору магнитной индукции B. Магнитный момент атома складывается из магнитных моментов электронов, движущихся вокруг ядра, и магнитного момента самого ядра. Однако, известно, что магнитный момент ядра в 2000 раз больше магнитного момента электрона [47]. Поэтому, магнитный момент атома равен векторной сумме магнитных моментов электронов. Намагничивание вещества характеризуется вектором или интенсивностью намагничивания J, который равен

,

где - магнитный момент i-той молекулы, n- общее число молекул в объеме .

Плазма, помещенная в сильное магнитное поле, по своим свойствам отличается от незамагниченной плазмы. Отличие состоит не только в количественных значениях различных параметров, но и в том, что свойства замагниченной плазмы различны в различных направлениях, т.е. замагниченная плазма - анизотропное вещество. Анизотропия плазмы особенно резко проявляется в таких процессах, как диффузия, электропроводность, теплопроводность. Каждый из этих процессов оценивается по двум соответствующим направлениям: вдоль по направлению магнитного поля и поперек магнитного поля [48].

Такое явление объясняется тем, что магнитное поле не влияет на движение заряженных частиц вдоль него и сильно ограничивает движение частиц в поперечном (относительно магнитного поля) направлении. Поэтому в замагниченной плазме скорости движения вдоль и поперек поля различны, но для каждого из этих движений справедливо максвелловское распределение частиц по скоростям. Получается, что замагниченная плазма характеризуется двумя температурами: продольной T_РР, соответствующей движению вдоль магнитного поля и поперечной T_+, соответствующая движению частиц поперек магнитного поля. Каждой из этих температур соответствует и свое давление. Таким образом, в замагниченной плазме наблюдается анизотропия, как температуры, так и давления.

Анизотропия плазмы при наличии сильного магнитного поля особенно проявляется в разряженной плазме. С увеличением же плотности облегчается обмен энергией между различными степенями свободы и анизотропия температур и давлений несколько сглаживается. Кроме того, анизотропия процессов переноса (электропроводность, диффузия, теплопроводность) в плазме не может проявляться в полной мере из-за ряда дополнительных обстоятельств. Так, анизотропия проводимости ослабляется появлением электрического тока в плазме за счет сил инерции, давления и других сил неэлектрического характера, так действием этих сил и магнитного поля ионы и электроны в плазме движутся в противоположные стороны, а диффузные процессы в поперечном направлении осложняются аномальной диффузией, связанной с неустойчивостью плазмы.

Магнитооптический эффект Фарадея связан с двулучепреломлением электромагнитной волны в плазме, который возникает под действием внешнего продольного магнитного поля. Как утверждают авторы [49] это преломление волны в плазме является следствием анизотропии ее тензора диэлектрической проницаемости и может возникать в отсутствии магнитного поля.

Фаталиев и др. исследовали влияние магнитного поля на плазму, и в частности, поведение положительного столба разряда в цилиндрической трубке в аксиально-симметричном магнитном поле. Наложение магнитного поля, искривляло пути электронов, и увеличивало число соударений электронов с частицами газа, что приводило к изменению режима разряда. Указанными выше авторами установлено влияние магнитного поля на продольный и поперечный градиенты потенциала в положительном столбе и на возникновение анизотропии плазмы в отношении длины свободного пробега электронов. Установлено влияние аксиально-симметричного поля на распределение концентрации заряженных частиц в плазме; это приводит к возможности искусственно сужать область разряда и получать, таким образом, концентрированные источники положительных ионов, необходимые для некоторых целей[50]. Внешнее магнитное поле влияет на функцию распределения электронов плазмы по энергиям и на величину их средней энергии.

1.3. Стадии формирования искрового канала при пробое инертных газов

Из экспериментальных наблюдений следует, что в формировании разрядов в инертных газах в условиях анизотропии взрывные и волновые процессы играют решающую роль. Под взрывным процессам понимают процессы, происходящие при большом удельном энерговкладе за малые промежутки времени, которые способствуют формированию новой стационарной стадии в разряде. При этом скорость выделения энергии должна существенно превосходить характерную скорость отвода тепловой энергии. Взрывные процессы могут быть объемными и локальными.

При локальных взрывных процессах, как правило, формируются ударные волны и другие нелинейные волновые процессы. К локальным взрывным процессам в разрядах относятся: формирование и распространение ионизационных фронтов, образование катодных пятен, формирование и развитие искрового канала. При наличии внешнего продольного магнитного поля времена формирования и развития искрового канала сокращаются.

На слаботочных стадиях таунсендовского и объемного разрядов имеет место формирование и прохождение ионизационных (нелинейных) волн, которые иногда называют волнами пробоя [44]. Формирование волны ионизации можно представить в этих разрядах следующим образом: на лавинных стадиях происходит накопление объемного заряда у анода, в усиленном поле которого происходит возрастание концентрации, затем скачок концентрации распространяется к катоду.

В стримерных же разрядах, помимо экранировки поля объемным зарядом, имеет место усиление поля у головки лавины [51, 52] за счет геометрического фактора. Мало, что известно о катодонаправленных и анодонаправленных ионизационных волнах объясняется это большими скоростями распространения и слабой интенсивностью свечения.

Простейшая система уравнений, описывающая распространение плоской ударной волны во внешнем электрическом поле может быть записана в следующем виде [21]

( 1.11)

Здесь n_i- концентрация ионов и n_e- концентрация электронов, b - подвижность электронов.

В системе уравнений (1.11) не учитывается диффузия электронов и рекомбинация в виду их малости на предпробойных стадиях. Из системы (1.11) для напряженности электрического поля можно получить неоднородное квазилинейное уравнение [18]:

...