Введение к работе
Актуальность исследования. Импульсные разряды, развивающиеся в плотных газах, находят широкое применение в новейших областях науки и техники. Именно такие разряды используют в качестве активных сред газовых технологических лазеров, лазерах для применения в медицине и научных исследованиях. Кроме того, такие разряды применяются в импульсных источниках света при разработке быстродействующих коммутаторов тока, в устройствах квантовой электроники, фотохимии и т.д.
В ранее выполненных исследованиях были установлены классические (таунсендовский и стримерный) механизмы роста проводимости разрядных промежутков, применяемых как для объяснения зажигания тлеющего разряда при малых электрических полях, так и искрового пробоя газа при высоких перенапряжениях.
В связи с усовершенствованием современной техники эксперимента существенно расширился диапазон представлений об импульсных разрядах, развивающихся в плотных газах. В частности, для искровых разрядов в длинных промежутках обнаружено развитие неизвестной ранее неустойчивости плоского фронта ионизации участка стримера (ветвление стримера), при достижении им некоторого критического размера. В научной литературе отсутствуют надежные экспериментальные данные и единое мнение о механизме ветвления стримера и количественного и качественного его обоснования.
Поскольку инертные газы (Не, Аг) широко используются в качестве буферного газа в активных средах газовых лазеров, то помимо исследований характера формирования и контракции объемного разряда (ОР) в искровой канал, наблюдений разнообразных картин развития неустойчивостей объемных и стримерных разрядов, значительный интерес представляют также экспериментальные и теоретические результаты изучения механизмов возбуждения и девозбуждения энергетических уровней атомов, концентрации различных молекулярных комплексов и степень их влияния на процессы, протекающие в плазме газового разряда.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование динамики пространственной структуры и кинетические процессы импульсного разряда в инертных газах в коротких перенапряженных промежутках.
В задачи диссертационной работы входило: 1. На основе использования теоретических моделей и получения необходимого объема экспериментальных результатов дать целостное, физически непротиворечивое описание начальных стадий импульсного пробоя в инертных газах высокого давления, позволяющее объяснить как различие в скоростях распространения ионизационных фронтов в Не и Аг, так и расслоение столба разряда в Не при высоких перенапряжениях на отдельные каналы.
Исследования динамики формирования ионизационных фронтов и развития искрового канала для таунсендовского, стримерного и объемного механизмов пробоя в инертных газах (Не, Аг) в широком диапазоне изменения начальных условий (величины поля, концентрации первичных электронов, давления газа, формы и материала электродов и т.д.)
Исследование спектрального состава излучения катодной плазмы и формирования ударных волн, обеспечивающих возникновение диффузных каналов, привязанных к катодным пятнам. Изучение процесса перехода объемного разряда в сильноточный диффузный режим.
Выявление роли различных элементарных процессов в общей кинетике образования заряженных и возбужденных частиц в плазме объемного разряда в аргоне атмосферного давления, а также разработка комплекса методик диагностики, позволяющих решить поставленные исследовательские задачи.
Объектами исследования явились свободно расширяющиеся самостоятельные импульсные разряды в межэлектродных промежутках (1-3 см) в инертных газах (Не, Аг) в диапазоне давлений 1-5 атм и прикладываемых электрических полей 3-25 кВ/см.
Методы исследования. Для решения поставленной задачи был использован комплексный подход, включающий в себя электрические, оптические и спектральные методики с временным разрешением «10 не. Концентрация электронов на стримерной стадии и на стадиях формирования и горения объемного разряда определялась по плотности тока, а на более поздних стадиях коммутации измерялась по штарковским контурам спектральных линий водорода (Нр), гелия (Не II 468,6 нм) и аргона (Arl 427,2 нм и 425,9 нм); температура электронов в искровом канале определялась методом относительных интенсивностей; характеристики оптического излучения плазмы исследовались методом лучеиспускания; концентрации возбужденных молекул аргона на стадиях формирования и горения объемного разряда (2p1S0, 4s[3/2]2, 4s [1/2]0, 4s[3/2]b 4s[l/2]b 4р[1/2]ь 4p[5/2]3, 4р[3/2]ь 4p[3/2]2, 4p[l/2]0, 4p [l/2]o), ионов Ar+ (основное состояние), эксимерных молекул Ат2 СЪиХ А'г2 СЪиХ объединение многих разлетных и слабосвязанных состояний, молекулярных ионов Ат2+ (основное состояние) и Аг3+ (основное состояние) рассчитывались теоретически на основе разработанных моделей и алгоритмов их реализации.
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. Непротиворечивость численных и экспериментальных методов исследования и их соответствие с имеющимися данными других авторов, подтверждают достоверность полученных результатов.
Научная новизна исследования. Большинство полученных в работе результатов исследований являются оригинальными и получены впервые. Основные новые научные результаты работы состоят в следующем:
Проведено систематическое исследование оптических, спектральных и электрических характеристик импульсных разрядов в инертных газах (Не, Аг) высокого давления и выявлены основные закономерности формирования ионизационных фронтов и искрового канала в различных видах разрядов: таунсендовском, стримерном и объемном в диапазоне напряжений от статического пробойного до перенапряжений в сотни процентов.
На основе экспериментальных данных и теоретических расчетов при значительных перенапряжениях (W>300%) в Не предложен механизм зажигания необычной формы объемного горения разряда - сильноточный диффузный режим, в котором практически отсутствует контракция и формируется за счет перекрытия тонких диффузных каналов, привязанных к катодным пятнам. Диффузные каналы образуются за счет ударных волн, формируемых в прикатодной плазме при взрывных процессов в сильном электрическом поле с напряженностью Е=\06 В/см.
Разработаны и обоснованы вычислительные алгоритмы для моделирования импульсного разряда в Аг атмосферного давления и изучена кинетика образования заряженных и возбужденных частиц в плазме объемного разряда в Аг.
Получены экспериментальные и теоретические результаты по развитию неустойчивости фронта волны ионизации на начальных стадиях стримерного пробоя в гелии атмосферного давления. Впервые в Не экспериментально обнаружено явление ветвления катодонаправленного стримера в коротких перенапряженных промежутках, а также дано качественное обоснование физического механизма этого процесса.
Для импульсного разряда в Аг экспериментально показано, что стримерный канал инициируется ярким свечением, появляющимся в точке критического усиления лавины на различных расстояниях от катода в зависимости от перенапряжения. Экспериментально измерены предпробойные токи для таунсендовского и стримерного механизмов пробоя в Не, Аг и изучены особенности формирования искрового канала для этих механизмов.
Научная и практическая ценность работы определяется актуальностью темы и научной новизной полученных в диссертации результатов. Результаты выполненных комплексных экспериментальных и теоретических исследований будут способствовать дальнейшему развитию физических представлений об импульсных разрядах, развивающихся в газах высокого давления (порядка атмосферного), в частности, объяснению наблюдаемых больших скоростей распространения фронтов свечения в плотных газах, распространения ионизации в сторону катода и получения объемных форм разрядов при атмосферных давлениях, используемых для инициирования газовых лазеров.
Полученные в работе новые результаты о характере контракции объемного разряда в искровой канал и режимах горения сильноточного диффузного разряда в инертных газах (Не, Аг) могут быть использованы для устранения неоднородности плазмы, повышения устойчивости и улучшения характеристик газовых лазеров и систем их инициирования, а также позволят изучить кинетику развития разряда, моделировать развитие различных стадий пробоя в широком диапазоне изменения начальных условий инициирования разряда.
На защиту выносятся:
Экспериментальные результаты, позволяющие обобщить качественные представления о развитии начальных стадий искровых разрядов в инертных газах (Не,Аг), механизмы и скорости их распространения при различных давлениях и энерговкладах, а также граница по напряжению, выше которой происходит смена механизма пробоя от таунсендовского к стримерному.
Экспериментальные и теоретические результаты по развитию неустойчивости фронта волны ионизации на начальных стадиях стримерного пробоя в гелии атмосферного давления, а также качественное обоснование физического механизма, обнаруженного впервые в Не экспериментально, явления ветвления катодонаправленного стримера в коротких перенапряженных промежутках, экспериментальное определение критических размеров стримера 1кр и время его ветвления для различных значений энерговклада в разряд.
Результаты детального изучения кинетики образования заряженных и возбужденных частиц в плазме объемного разряда высокого давления в аргоне и выяснения роли процессов диссоциативной рекомбинации с участием молекулярных комплексов Аг+2 и Аг+з в общей кинетике развития разряда, которые являются преобладающими рекомбинационными процессами, обеспечивающие однородность и устойчивость объемного горения импульсного разряда.
Механизм зажигания необычной формы объемного горения разряда -сильноточный диффузный режим в Не, формирующий в промежутке при значительных перенапряжениях (W>300%), в котором практически отсутствует контракция и формируется за счет перекрытия тонких диффузных каналов привязанных к катодным пятнам. Диффузные каналы образуются за счет ударных волн, формируемых в прикатодной плазме за счет взрывных процессов в сильном электрическом поле =106 В/см.
Вклад автора. Личный вклад автора в работы, на основе которых написана диссертация, является определяющим. Постановка задачи, результаты экспериментов и расчетов, представленные в диссертации, анализ всего цикла работ, выводы диссертации и основные положения, выносимые на защиту, выполнены совместно с научным руководителем.
Апробация результатов исследования и публикации. Результаты, содержащие в настоящей диссертационной работе, докладывались на V Всероссийской конференции по физической электронике (Махачкала, ДГУ 2008); на Международной конференции по Волновой
электрогидродинамике проводящей жидкости (Ярославль, 2009); на II Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов Российских вузов» (Томск, 2009) на XXXVII Международной (Звенигородская) конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2010); а также на научных семинарах ДГУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 180 страниц, включая 40 рисунков и 10 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 162 наименований.
