Введение к работе
Актуальность проблемы. В работе изучаются волновые процессы в нестационарном разряде низкого давления, отличительная особешгость которых заключается в замыкании пространственно неоднородных возмущений тока проводимости в плазме (волн тока) токами смещения, текущими между разрядным каналом и окружающим его металлическим экраном.
Конечность времен релаксации концентрации электронов в положительном столбе и перезарядки распределенной электрической емкости между плазмой и экраном создает предпосылку для существования замедляющего эффекта при распросгранеіши возмущений. В таких условиях неустойчивости проявляются в данной системе как в длинной линии. Поэтому задачи поддержания разряда постоянного тока в линейных и кольцевых гелий-неоновых лазерах и разработки бесконтактных методов диагностики плазмы требуют знания дисперсионных свойств волн тока.
Круг рассматриваемых явлений включает также высокоскоростные волны ионизации (ВВИ), в которых область сильного электрического поля (фронт ионизации) движется вдоль разрядного канала, значительно увеличивая степень ионизации газа. Высокая скорость ВВИ (10М010 см/с), эффективное возбуждение молекул газа и отсутствие контракции разряда делают перспективными их практическое применение. К настоящему времени подробно исследованы ВВИ, возникающие при импульсно-периодическом пробое газа в длинных трубках, окруженных металлическим экраном.
Существует возможность образования движущегося фронта ионизации не только при импульсном пробое, но и в результате переходных процессов, сопровождающихся перераспределением электрического ПОЛЯ внутри разрядного промежутка (R.G. Westberg. Phys. Rev. - 1959. - V. 114.
P. 1). В работе В.К. Привалова и С.А. Фридрихова (Изв. ВУЗов. Физика.
1973. - № 1. - С. 148) было обнаружено, что самовозбуждение реактивных колебаний в результате развития неустойчивости разряда в неоне, поддерживаемого в длинной узкой трубке, вызывает скачкообразное возникновение виртуального катода внутри разрядного канала. Сопоставление этих фактов дает основание для поиска путей реализации пространственно неоднородных автоколебаний в системе "плазма - проводящий экран", на определенной стадии которых образуется движущийся фронт ионизации.
Цель настоящей работы заключается в изучении волн тока и механизмов поддержания пространственно неоднородных автоколебаний в окруженной металлическим экраном плазме разряда низкого давления в гелии.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
-
Разработка метода реконструкции по экспериментальным данным мгновенных распределений электрического поля в разрядном канале.
-
Исследование вынужденных колебаний в системе "положительный столб - металлический экран" и закона дисперсии волн тока.
-
Анализ устойчивости стационарного состояния активной длинной линии "газоразрядная плазма - внешний проводник".
-
Исследование взаимодействия плазмы с внешней электрической цепью при самовозбуждении автоколебательных режимов поддержания разряда и идентификация механизмов соответствующих бифуркаций.
-
Изучение особенностей поддержания ионизационного баланса в разрядном канале в режиме пространственно неоднородных автоколебаний.
Методы исследований. Экспериментальные исследования вынужденных колебаний в положительном столбе выполнены на основе регистрации:
электрических зарядов, индуцированных на секциях экрана;
пространственного распределения переменной составляющей оптического излучения плазмы на частоте внешней модуляции;
колебаний токов и напряжений на электродах разрядной трубки.
Для решения обратной задачи восстановления мгновенных распределений потенциала в разрядном канале по измеренным индуцированным зарядам секций экрана использована теория интегральных уравнений Фредгольма и численные методы, основанные на быстром преобразовании Фурье. Границы существования у исследуемой системы устойчивого стационарного состояния найдены с помощью методов анализа активных длинных линий.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем: 1. Развит метод восстановления мгновенных распределений потенциала в плазме газового разряда, основанный на регистрации индуцированных в проводящем экране электрических зарядов, и не требующий предварительного экспериментального определения ядра соответствующего интегрального уравнения.
2. Найдены условия, при которых вынужденные колебания в поло
жительном столбе гармонически модулированного газового разряда
представляют собой суперпозицию падающей и отражетюй волн тока и
электрического поля с комплексными амплитудами, изменяющимися в
пространстве по экспоненциальному закону.
3. Разработан метод экспериментального определения импеданса
газоразрядной плазмы с помощью регистрации токов смещения на секции
цилиндрического металлического экрана.
4. Экспериментально исследован закон дисперсии волн тока и уста
новлены условия их пространственного усиления.
5. Доказано существование неустойчивого режима поддержания
газового разряда, представляющего собой периодическую последова
тельность коротких импульсов тока.
-
Идентифицированы бифуркации, приводящие к возникновению и срыву устойчивого режима пространственно неоднородных реактивных автоколебаний в распределенной системе "плазма - внешний проводник".
-
В условиях автоколебательного режима поддержания разряда обнаружено возникновение ВВИ, распространяющейся со скоростью ~108см/с.
Научно-практическое значение работы:
-
Разработан способ измерения импеданса положительного столба газового разряда, не требукшпга использования разрядных трубок специальной конструкции и позволяющий осуществлять бесконтактные исследования плазмы и неразрушающий контроль наполнения активных элементов газоразрядных лазеров.
-
Уточнены механизмы развития неустойчивости в электрической цепи разряда, ограничивающие длину активной среды гелий-неоновых лазеров.
-
Развит метод реконструкции мгновенных распределений электрического поля в разрядном канале, использованный для регистрации характеристик ВВИ.
-
Обнаружены самосогласованные нестационарные режимы поддержания разряда, позволяющие возбуждать ВВИ без применения высоковольтной наносекундной техники.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием дополняющих друг друга независимых методов исследования характеристик волн тока; соответствием измеренных и теоретически рассчитанных параметров газоразрядной плазмы.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Регистрация токов смещения на секции окружающего плазму
металлического экрана позволяет определить отношение комплексных
амплитуд встречных волн тока в положительном столбе газового разряда
и их постоянную распространения, если последняя не превышает по абсо
лютной величине 0,7/6, где b - радиус экрана.
-
Вынужденные колебания, возбужденные линейной гармонической модуляцией разряда низкого давления в гелии, имеют резонанс вблизи частоты, для которой на длине положительного столба укладывается четверть длины волны тока.
-
Самовозбуждение пространственно неоднородных автоколебаний, вызванное развитием неустойчивости на моде активной длинной линии "положительный столб - проводящий экран", приводит к возникновению в разряде низкого давления высокоскоростной волны ионизации.
Апробация работы и публикации. Результаты диссертации представлены на VII и VIII конференциях по физике газового разряда (Самара, 1994 г.; Рязань, 1996 г.), XI, XII и ХШ конференциях по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (С.-Петербург, 1992 г.; Нордвикер-хут, Нидерланды, 1994 г.; Попрад, Словакия, 1996 г.), XXIII международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Тулуза, Франция, 1997 г.), XII международной конференции по газовым разрядам и их применениям (Грейфсвальд, Германия, 1997 г.) и опубликованы в 12 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы из 90 наименований и приложения. Она изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков и 4 таблицы.
