Содержание к диссертации
ГЛАВА I. САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ РАЗРЯДЫ
В ГАЗАХ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ 15
1.1. Формирование и устойчивость начальных стадий импульсных
разрядов в газах высокого давления 15
1.2. Кинетика заселения энергетических уровней атомов в инертных
газах высокого давления 27
1.3. Спектральные исследования объемных и контрагированных
разрядов в газах высокого давления 40
1.4. Особенности развития импульсных разрядов в парах материала
электродов 45
ГЛАВА И, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ 50
2Д.Генератор высоковольтных импульсов напряжения 51
2.2. Регистрация электрических и спектральных характеристик
разряда 56
2.3. Регистрация пространственно - временной картины свечения
промежутка 59
2.4. Двумерная модель формирования объемного разряда в инертных
газах высокого давления, методика решения и алгоритм ее
реализации 60
2.5. Кинетическая модель плазмы импульсного разряда и алгоритм ее
реализации 66
ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА КИНЕТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЫ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА В ГЕЛИИ
ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ 76
3.1. Функция распределения электронов по энергиям в плазме объемного
разряда 76
3.2. Кинетика формирования заряженных и возбужденных частиц в
плазме объемного разряда 82
3.3. Динамика пространственной структуры и кинетика заселения
возбужденных состояний атома гелия 91
ГЛАВА IV. ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ,
СПЕКТРАЛЬНЫХ И ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДА В ГЕЛИИ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ 101
4.1. Неустойчивость фронта волны ионизации на начальных стадиях
стример и о го пробоя 101
4.2. Фаза квазистационарного горения импульсного разряда высокого
давления 111
4.3. Спектр излучения из объема плазмы 115
4.4. Электрические и спектральные характеристики катодного слоя
объемного разряда 122
4.5. Результаты люделирования прорастания искрового канала в гелии
высокого давления 134
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 143
ЛИТЕРАТУРА
Введение к работе
Импульсные разряды высокого давления, развивающиеся в газах,
представляют большой интерес для многочисленных практических приложений, обусловленный, прежде всего широким их распространением и перспективами применения в новейших областях науки и техники.
В настоящее время хорошо описаны классические - таунсендовский и стримерный механизмы роста проводимости разрядных промежутков. Первый механизм применяется для объяснения зажигания тлеющего разряда при малых перенапраяжениях, а второй - искрового пробоя при высоких перенапряжениях. Однако, в связи с усовершенствованием современной техники эксперимента существенно расширился диапазон представлений об импульсных разрядах, развивающихся в плотных газах.
С одной стороны, это относится к более детальному изучению таусендовского и стримерного механизмов, а с другой - были обнаружены новые фундаментальные закономерности: в частности, при инициировании самостоятельного разряда с предварительной ионизацией, показана возможность реализации объемной формы горения при давлении порядка атмосферного. С другой стороны, в последние годы появились работы, связанные с объяснением механизма ветвления стримера, основанные на неустойчивости плоского фронта ионизации участка стримера, которое происходит при достижении им некоторого критического размера и развивается быстрее, чем стример достигает противоположного электрода.
Прогресс в указанных областях в существенной степени зависит от знания физических свойств разряда на различных стадиях его развития. Все это требует получения дополнительных результатов на основе новых измерений по импульсным разрядам атмосферного давления.
Поскольку гелий широко используется в качестве буферного газа в активных средах газовых лазеров, то исследования характера формирования и контракции ОР в искровой канал, наблюдение разнообразных картин развития неустойчивостей объемных и стримерных разрядов в широком диапазоне
изменения начальных условий (величины поля, концентрации первичных электронов, давления газа, формы и материала электродов и т.д.) является весьма актуальной задачей.
Известно так же, что введение легкоионизируемых примесей позволяет увеличить концентрацию электронов предыонизации и тем самым способствует улучшению однородности и устойчивости ОР. В ряде случаев введение паров металла и их распространение в промежутке приводит к расконтрагированию разряда, исчезновению анодных и катодных пятен. Выбор и поддержание оптимального соотношения компонентов парогазовой смеси позволяет получить объемный режим горения газового разряда при давлениях до 5 атм. В литературе для ввода паров металла в зону разряда используются различные методы, связанные с дополнительными энергозатратами и сложными техническими конструкциями.
В то же время следует отметить, что пары металлов неизбежно возникают в разряде в процессе распыления материала, из которого изготовлены электроды. Такие примеси (вследствии своего низкого потенциала ионизации) образуют с буферным газом Пенинговскую смесь и поэтому могут существенно изменить динамику развития разряда и кинетику процессов как в приэлектродных областях, так и в объеме промежутка. На данное обстоятельство не обращено должное внимание в научной литературе. Следовательно, экспериментальное и теоретическое исследование динамики распространения паров материала электродов в плазму и изучение кинетики как объемной, так и приэлектродной плазмы является весьма значимой задачей.
Представляют также значительный интерес экспериментальные и теоретические результаты, посвященные изучению механизмов возбуждения и девозбуждения энергетических уровней атомов, определению концентрации различных молекулярных комплексов и степени влияния метастабильных атомов на различные процессы, протекающие в плазме газового разряда. Это объясняется, прежде всего, тем, что заселенность энергетических уровней
б самым непосредственным образом определяет излучательиые и спектральные характеристики плазмы, знание которых необходимо как с точки зрения диагностики плазмы, так и для создания теоретических моделей. Поскольку интенсивность излучения линии непосредственно определяется концентрацией возбужденных атомов на конкретном возбужденном уровне, то исследование механизмов возбуждения энергетических уровней атомов в инертных газах имеет важное значение для улучшения энергетических характеристик газовых лазеров.
В атомарных газах, в частности в гелии, недостаточно изучены кинетические процессы и спектры излучения, как из объема, так и из приэлектродной плазмы на всех стадиях развития импульсного пробоя при различных начальных условиях.
Таким образом, в качестве примеров разнообразия имеющихся в этой области физики проблем, не получивших к моменту начала настоящей работы должного объяснения, можно отнести следующие:
Недостаточность работ по развитию теории процессов, приводящих к возникновению катодной области разряда, отсутствие в научной литературе единого мнения и ограниченность данных о механизмах формирования и развития высокоскоростных ионизационных волн в процессе электрического пробоя в газах высокого давления.
Многообразие элементарных процессов, протекающих в ОР, и трудность их экспериментального и теоретического исследования.
Детальное исследование кинетики формирования спектрального состава излучения, как из объема, так и приэлектродной плазмы в газах высокого давления.
Отсутствие в научной литературе надежных экспериментальных данных и единого мнения о механизме ветвления стримера и количественного и качественного его обоснования.
Ограниченность данных относительно влияния примесей материала электродов, неизбежно поступающих в разряд в процессе электрического
пробоя как на динамику развития разряда, так и на кинетические процессы в объеме промежутка.
Целью диссертации является:
В настоящей работе исследована динамика пространственной структуры и кинетические процессы импульсного разряда в гелии в коротких перенапряженных промежутках.
В задачи диссертационной работы входило:
Анализ процессов, протекающих на электродах и в прикатодных областях, и их роли в поддержании и развитии неустойчи во стей объемного разряда.
Изучение физического механизма ветвления стримеров и качественное обоснование этого явления.
Детальное исследование спектрального состава излучения объемных и контрагированных разрядов и кинетики ее формирования в гелии в коротких перенапряженных промежутках.
На основе двумерной модели разработка методики и алгоритма численного расчета механизма формирования катодного слоя импульсного ОР и изучение его электрокинетических характеристик в условиях близких к экспериментальным.
Объектами исследования явились свободно расширяющиеся самостоятельные импульсные разряды в межэлектродных промежутках (1-3 см) в гелии в диапазоне давлений 1-5 атм и прикладываемых полей 3-25 кВ/см.
Методы исследования. Для решения поставленной задачи был принят комплексный подход, включающий использование различных экспериментальных методов: электрических, оптических и спектральных с временным разрешением «10 не. Распределения концентрации электронов, ионов, возбужденных атомов и молекулярных комплексов в межэлектродном промежутке как на стадии формирования, так и развития ОР, рассчитывались теоретически на основе разработанных математических моделей.
Достоверность научных результатов и обоснованность научных положений базируются на использовании современных средств диагностики с высоким временным и пространственным разрешением, систематичности экспериментальных исследований в широком диапазоне начальных условий. Сочетание численных и экспериментальных методов исследования и их соответствие с имеющимися данными других авторов подтверждают достоверность полученных результатов.
Научная новизна исследования. В результате проделанной работы впервые получены следующие результаты:
Впервые в коротких перенапряженных промежутках экспериментально обнаружен процесс ветвления стримера в гелии атмосферного давления и дано качественное обоснование этого явления.
Разработана и обоснована двумерная модель для изучения механизма формирования катодного слоя ОР при импульсном пробое гелия высокого давления. Экспериментально и расчетами показано, что формирование ОР в гелии с предыопизацией, как и в одномерном случае, происходит в процессе движения одной като дон аправ ленной волны ионизации, а основным процессом, обеспечивающим ток проводимости с катода на стадии формирования, является фотоэмиссия.
Детально изучена кинетика образования заряженных и возбужденных частиц в плазме объемного разряда высокого давления и выяснена роль процессов диссоциативной рекомбинации с участием молекулярных комплексов Не+2 и Нетз в общей кинетике развития разряда, которые являются преобладающими рекомбинационными процессами, обеспечивающие однородность и устойчивость объемного горения импульсного разряда.
Научная и практическая ценность работы в основном определяется актуальностью темы и научной новизной проведенных исследований. Результаты исследований будут способствовать дальнейшему развитию физических представлений как о начальных стадиях стримерного пробоя, так и об импульсных ОР, развивающихся в газах высокого давления. В частности,
для объяснения наблюдаемых больших скоростей фронтов свечения в плотных газах и распространения ионизации в сторону катода, для получения объемных форм разрядов при атмосферных давлениях.
Результаты исследования спектрального состава излучения, как из объема, так и при электродной плазмы (плазма паров металла, образуемая при распылении электродов), а также излучательные и спектральные характеристики плазмы, определяющие заселенность энергетических уровней атомов представляют интерес для получения стимулированного излучения в УФ областях спектра и дают обширную информацию о кинетике его формирования.
На защиту выносятся:
Результаты экспериментального и численного исследования начальных стадий импульсного пробоя и качественного обоснования, обнаруженного в Не в коротких перенапряженных промежутках механизма ветвления стримеров.
Результаты проведенного детального исследования спектра излучения, как из объема, так и из приэлектродной плазмы объемного разряда в гелии.
Результаты двумерной модели формирования самостоятельного разряда с объемной предыонизацией, в основе которой лежит процесс движения одной катодонаправленной волны ионизации, скорость которой определяется интенсивностью накопления положительных ионов на фронте волны, а основным процессом, обеспечивающим ток проводимости с катода на стадии формирования, является фотоэмиссия с катода. А также механизм инициирования и развития неустойчивости ОР в гелии.
Результаты по кинетике заселения возбужденных состояний атомов исследуемого газа, а также выяснение доминирующих рекомбинационных процессов в плазме объемного разряда с участием молекулярных комплексов.
Апробация результатов исследования и публикации. Результаты, содержащие в настоящей диссертационной работе, докладывались на VII, VIII, IX, XI и XII - Всероссийских конференциях
студентов - физиков и молодых ученых (Санкт Петербург, 2001; Екатеринбург, 2002; Красноярск 2003); на VIII и X Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам (Москва, МГУ - 2001, 2003); на II, III и IV Всероссийских конференциях по физической электронике (Махачкала, ДГУ 2001, 2003, 2006); на II Международном конгрессе студентов, молодых ученых и специалистов (Москва, МГТУ, 2002); на I, II и III Международных конференциях по фазовым переходам и нелинейным явлениям в конденсированных средах (Махачкала, ИФ ДНЦ РАН, 2000, 2002, 2004); на региональной конференции «Компьютерные технологии в науке технике и образовании» (Махачкала, ДГУ, 2001); на Всероссийских конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2003, 2004, 2005, 2006); на VI Международной конференции «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул» (Томск, 2003); а также на научных семинарах ДГУ. Высокий научный уровень результатов был отмечен дипломами лауреата различных конференций.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 печатных работ, в том числе 4 статьи (2 в реферируемых журналах).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения; четырех глав и заключения: содержит 159 страниц печатного текста, включая 39 рисунков и 6 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 152 наименований.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы основные задачи и цели исследования. Приводится краткое содержание диссертации.
В первой главе приводится краткий обзор экспериментальных и теоретических работ, описывающих формирование самостоятельных импульсных ОР в различных газах высокого давления. Особое внимание уделяется работам как по кинетике процессов в инертных газах, так и спектроскопическим исследованиям объемных и контр агиро в энных разрядов.
II Описаны условия, определяющие режим формирования и стационарного горения ОР и особенности развития импульсных разрядов в парогазовых смесях инертных газов. Показано, что длительность и устойчивость однородного ОР ограничивается неустойчивостями, возникающими как в объеме, так и в при электродных областях. В случае развития разряда в парогазовых смесях материала электродов показано, что именно наличие такой плазмы в области немонотонного распределения потенциала обеспечивает механизм токопереноса в приэлектродных областях, создавая потоки ионов, как в сторону катода, так и в сторону анода. Из-за низкого потенциала ионизации, пары материала электродов оказывают влияние на однородность, устойчивость и кинетику процессов в разряде. Основное содержание первой главы сводится к изложению современного представления о состоянии вопроса и показывает достигнутую степень изученности процессов в импульсных разрядах атмосферного давления, а также определяет предмет и цель исследования.
Во второй главе диссертации приводится описание экспериментальной установки и методик измерений параметров плазмы импульсных разрядов в газах атмосферного давления. Обосновываются методики регистрации электрических, оптических и спектральных характеристик разряда и анализируются их погрешности.
Диагностический стенд включает в себя вакуумную систему (-10" Тор),
спектрограф (ДФС-458С), монохроматор (МДПС - 3), генератор импульсов
напряжения (амплитудой до 30 кВ и фронтом нарастания =10 не),
фотоумножители (ФЭУ-30, ФЭУ-77, ФЭУ-79, ФЭУ-87), разрядную камеру из
нержавеющей стали с симметричными кварцевыми окнами, скоростные и
высоковольтные осциллографы (С8-12, С8-14, ОК-21), систему
ft "X
синхронизации (ГИ-1) и предыонизации (=10 см').
Напряжение и ток разряда измерялись с помощью омического делителя и малоиндуктивного шунта соответственно.
Начальная концентрация электронов, создаваемая внешним ионизатором,
в который вкладывалась энергия ~ 0,3-0,4 Дж, оценивалась по измеренному
току в разрядной цепи при постоянном напряжении на промежутке (100-ЗООВ).
Для улучшения отношения сигнал/шум и согласования сигнала с
передающим кабелем применялся эмитерный повторитель на высокочастотном транзисторе. По известному сечению разряда (Д=4 см) и измеренному току определялась средняя плотность тока и концентрация электронов.
Скорость распространения разряда и пространственно-временная структура его развития регистрировались с помощью фотоэлектронного регистратора ФЭР2-1.
Здесь же приводится описание фотоэлектрического метода записи спектра излучения разряда с временным разрешением ~10нс. Обсуждается также двумерная модель численного расчета распределения концентраций электронов и ионов, возбужденных атомов и молекулярных комплексов в межэлектродном промежутке и алгоритм её реализации.
В предлагаемой двумерной модели формирования катодного слоя ОР решается система дифференциальных уравнений, состоящая из уравнений баланса для концентрации электронов, ионов и уравнение Пуассона, совместно с уравнением Кирхгофа для электрической цепи. Подробно описан алгоритм программной реализации этой модели. При численном решении полученной системы была использована разностная схема.
Для анализа элементарных процессов, протекающих в плазме импульсного объемного разряда в гелии, решается система дифференциальных уравнений кинетики для следующих компонент плазмы: атомов в основном и возбужденных состояниях с п=2, п=3,4; электронов; атомарных и молекулярных ионов Не+, Не+2 и Не+3; эксимерных молекул совместно с уравнениями для средней энергии электронов и электрического ПОЛЯ. Подробно описана сама модель и алгоритм ее программной реализации.
Для изучения влияния паров металла, которые возникают в разряде в процессе распыления материала вещества электродов, на кинетику процессов в плазме ОР дополнительно учитываются уравнения для концентрации ионов и возбужденных атомов паров материала электродов.
В третьей главе рассматриваются и обсуждаются результаты расчета функции распределения электронов по энергиям, кинетических и плазмохимических характеристик, а также результаты численного расчета по двумерной модели формирования катодного слоя для импульсных ОР в газах высокого давления. Здесь же рассматриваются результаты кинетики формирования заряженных и возбужденных частиц в плазме ОР и результаты численного расчета эволюции ОР. В частности показано, что в плазме ОР эффективно образуются молекулярные комплексы типа Не+2 и Не+з, которые рекомбинируются с электронами в процессе диссоциативной рекомбинации и их концентрация в ОР составляют 1012 см'3 и 10" см'3 соответственно.
В четвертой главе рассматриваются и обсуждаются экспериментальные результаты, полученные различными экспериментальными методами по развитию неустойчивости фронта волны ионизации на начальных стадиях стримерного пробоя, по характеру формирования, режиму стационарного горения и контракции ОР в Не в искровой канал, представлены экспериментальные результаты, полученные электрическими и спектральными методами. Показано, что при достижении прикладываемого поля критического значения происходит ветвление стримера, критическая длина которого уменьшается с ростом прикладываемого поля. Также показано, что наличие в спектре прикатодной плазмы спектральных линий атомов и ионов материала электродов (паров железа) является следствием возникновения катодных пятен и распыления материала электродов. Одновременная регистрация интенсивности излучения и импульса напряжения позволила определить момент возбуждения спектральных линий в разряде относительно момента приложения напряжения. Обсуждаются результаты численного расчета
механизма распространения искрового канала, которые находятся в удовлетворительном согласии с экспериментальными данными.
В заключении диссертации сформулированы основные результаты и выводы работы.
Вклад автора. Личный вклад автора в работы, на основе которых написана диссертация, является определяющим. Автор внес основной вклад во все этапы численного исследования импульсных разрядов. Автор непосредственно участвовал в измерении электронно-оптических и спектральных характеристик разряда, обработал результаты экспериментальных исследований и дал соответствующую интерпретацию.
Путем численного моделирования изучил как механизмы формирования катодного слоя ОР в гелии, так и кинетику заряженных и возбужденных частиц в плазме.
По экспериментальным значениям времен формирования катодных пятен рассчитал характерные параметры прикатодной области, с учетом различных процессов эмиссии. Дал качественное обоснование механизма ветвления стримера в Не.
