Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ : 6
ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИМПУЛЬСНОГО
РАЗРЯДА 34
1.1. Схемы экспериментальных установок 34
1.2 Импульсы напряжения и тока в разрядном промежутке и
методы их регистрации ;. 40
1.2.1. Осциллограммы тока и напряжения на разрядном
промежутке 40
1.2.2. Токи предпробойных стадий разряда 48
1.3. Пространственные формы разрядов и методы их
регистрации 51
1.4. Эопограммы формирования пробоя 54
Динамика формирования самостоятельного объемного разряда 54
Анализ результатов регистрации пространственно-временного развития разряда 66
1.5. Время существования объемной фазы разряда 75
1.6. Проводимость и энерговклад в разряд 84
ГЛАВА П. ДИНАМИКА ЭЛЕКТРИЧЕСИХ, СПЕКТРАЛЬНЫХ И ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕМНЫХ И
КОНТРАГИРОВАННЫХ РАЗРЯДОВ 95
2.1. Спектр излучения из объема плазмы 95
2.2. Спектральный состав излучения приэлектродной плазмы ... 105
2.3. Механизм формирования однородного плазменного столба.. 118
2.4. Динамика оптического излучения поперечного
наносекундного разряда с щелевым катодом 130
з 2.5. Температура и плотность электронов газоразрядной
плазмы 144
ГЛАВА III. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О
МЕХАНИЗМАХ ПРОБОЯ ГАЗОВ ВЫСОКОГО
ДАВЛЕНИЯ 151
3.1. Современные представления о физике формирования и
развития лавины ионизации и «плазменных стримеров» ... 151
3.2. Динамика формирования стримерного пробоя 158
3.3. Перекрытие электронных лавин и механизм формирования
однородного объемного разряда 163
Самостоятельные разряды с предыонизацией 163
Формирование объемного разряда и его характеристики .... 166 ГЛАВА IY. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА
УСТОЙЧИВОСТЬ ОДНОРОДНЫХ ОБЪЕМНЫХ
РАЗРЯДОВ 176
4.1 Физические процессы в прикатодной области импульсных
разрядов 176
4.2. Роль приэлектродных процессов в формировании
искрового канала 180
4.3. Прорастние высокопроводящего канала из катодного пятна 188
Формирование искрового канала в аргоне 188
Особенности прорастания искрового канала в объемном разряде в гелии 193
4.4. Развитие объемного разряда при больших перенапряжениях
и больших удельных энерговкладах 202
ГЛАВАУ. ДИНАМИКА ЗАЖИГАНИЯ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА И
КИНЕТИКА ЗАСЕЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕННЫХ АТОМОВ
ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ МЕХАНИЗМАХ
ФОРМИРОВАНИЯ ПРОБОЯ 209
5.1. Моделирование импульсного разряда в Не атмосферного
давления и алгоритмы его программной реализации 209
Кинетическая модель плазмы импульсного разряда в гелии. 210
Кинетика формирования заряженных и возбужденных частиц в плазме 216
5.2. Формирование катодного слоя в объемном разряде
высокого давления 224
5.2.1. Численная модель формирования катодного слоя и
алгоритм ее программной реализации 224
5.2.2. Механизм формирования катодного слоя 228
5.3. Импульсный объемный разряд в парогазовой смеси гелия
высокого давления 234
Моделирование плазмы объемного разряда в парогазовой смеси гелия 234
Кинетические процессы в парогазовой смеси гелия и атомов металла 236
Влияние паров материала вещества электродов на однородность и устойчивость процессов в объемном разряде 238
ГЛАВА YI. РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ИМПУЛЬСНЫХ
РАЗРЯДАХ 249
6.1. Кинетика релаксации плазмы объемного разряда высокого
давления в гелии и его смесях 249
Релаксация плазмы объемного разряда в гелии 249
Кинетика релаксации плазмы импульсного объемного разряда в смесях He-Fe, He-Cu 253
6.2. Ионизационная релаксация поперечного наносекундного
разряда с щелевым катодом в смесях He-Аг, He-Cu, Не-А1... 256
Релаксация наносекундного разряда в смеси He-Аг 256
Релаксация средней энергии электронов в наносекундном разряде в гелии при наличии паров материала электродов 263
6.3. Релаксация оптического излучения за фронтом волны
ионизации при наносекундном пробое гелия в длинных
трубках 266
6.4. Релаксация плазмы импульсного разряда в лазерной смеси
He-Cu 276
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 283
ЛИТЕРАТУРА 291
Введение к работе
Постоянное внимание к электрическим разрядам, развивающимся в газах высокого давления, обусловлено, прежде всего, их широким распространением и перспективами применения в новейших областях науки и техники. Импульсные разряды нашли применение в устройствах различного назначения: они используются при разработке быстродействующих коммутаторов тока [1-2], в импульсных источниках света, предназначенных для метрологии быстропротекающих процессов [3-4], в устройствах квантовой электроники [5-6], в работе многочисленных управляющих приборов-коммутаторов и размыкателей электрического тока, фотохимии и т. д.
Именно в подобных исследованиях были установлены классические механизмы пробоя - таунсендовский и стримерный [7-10]. 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 таунсендовского и стримерного механизмов [11-22], а с другой - к обнаружению новых фундаментальных закономерностей. В частности, при инициировании самостоятельного разряда с предварительной ионизацией показана возможность реализации объемной формы горения при давлениях порядка атмосферного [23-25]. В результате исследования разрядов в активных средах эксимерных лазеров, а впоследствии и в чистых газах была обнаружена необычная форма разряда с объемным протеканием тока, в которой практически отсутствует контракция, - сильноточный диффузный режим (СДР) [26-30]. Несмотря на внешнее сходство (объемное однородное свечение), свойства разряда в объемной фазе и при СДР имеют существенное различие. Речь идет по существу о двух разных формах объемного протекания тока. Общее этих разрядов заключается в том, что результаты, полученные в них, можно использовать при решении проблемы создания активной среды
газовых лазеров. Необычность СДР заключается в том, что в отличие от ОР, в нем фактически отсутствует контракция.
Прогресс в указанных областях науки и техники в существенной степени зависит от знания физических свойств разряда. Так, например, одной из основных задач в области импульсных лазеров, возбуждаемых самостоятельным объемным разрядом (СОР) с УФ предыонизацией, является осуществление устойчивого горения объемного разряда (ОР), не переходящего в искровой в широком диапазоне длительностей и плотностей тока. А развитие техники мощных электронных пучков наносекундной длительности определяется достижением предельно высоких скоростей спада сопротивления разрядного промежутка.
Известно, 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 [31]. Выбор и поддержание оптимального соотношения компонент парогазовой смеси позволяет получить объемный режим горения газового разряда при давлениях до 5 атм.
В лазерах на парах металлов [32,33] для ввода паров металла в зону разряда используются различные специальные методы, связанные с дополнительными энергозатратами и сложными техническими конструкциями. В тоже в.ремя следует отметить, что для инертных газов роль таких примесей могут играть, в частности, пары металлов, формируемых в разряде в процессе распыления материала электродов. Такие примеси могут существенно изменить динамику развития разряда, влияя на кинетику процессов как в приэлектродных областях, так и в объеме промежутка [34-37].
Благодаря интенсивным исследованиям многих отечественных и зарубежных специалистов, прежде всего, школ Месяца Г.А., Андреева СИ., Асиновского Э.И., Логарькова А.Н., Руткевича А.А., Бабича Л.П., Синкевича
O.A., Ульянова К.Н., Рухадзе А.А., Александрова А.Ф., Омарова О.А. и т.д. получены обширные экспериментальные данные по физическим процессам в импульсных газовых разрядах. Измерены времена запаздывания и формирования разрядов с одноэлектронным и многоэлектронным инициированием [38-43], а также скорости распространения ионизационных фронтов [44-46]; изучена динамика пространственной структуры тела свечения разрядов [39,43, 47-54]; определены состав газоразрядной плазмы и ее параметры [49,55-60]; предложены различные механизмы контракции однородных объемных разрядов [61 -75].
В работах Асиновского Э.И. с сотрудниками (ИВТ РАН) исследована динамика наносекундных разрядов в длинных трубках как при наличии внешнего ионизатора, так и без него при давлениях от долей до сотен Тор [76-84]. В основе физических представлений о развитии наносекундного разряда в длинных трубках лежит идея об ионизирующих волнах градиента потенциала, теория которых развивается, например, в работах [85-88].
Теория сильно перенапряженных наносекундных разрядов с самостоятельным инициированием развита в работах [89-95]. Закономерности пробоя плотных газов и развитие наносекундных газовых разрядов при больших перенапряжениях принципиально отличаются от закономерностей классических форм разрядов. Здесь времена протекания фундаментальных элементарных процессов оказываются соизмеримыми со временами развития самого явления.
Несмотря на то, что импульсные разряды в коротких промежутках при сильно перенапряженных условиях достаточно подробно исследованы в литературе [96], число работ по комплексному исследованию разрядов в широком диапазоне изменения начальных условий при напряжениях от статического пробойного до сотен процентов перенапряжений ограничено.
Проведенный анализ работ по пробою газов высокого давления показывает, что формирование искрового канала для таунсендовского, стримерного и объемного разрядов систематически исследовалось в
молекулярных газах - воздухе, азоте, кислороде, водороде и т.д. Показано, что в процессе перехода от ОР к искровому существуют следующие фазы развития: квазистабильный тлеющий разряд, ОР с катодными пятнами, ОР с катодными пятнами и привязанными к ним диффузными каналами, контрагированный искровой канал [65]. Несмотря на это, остается неясным, какие процессы ответственны за образование предыскрового диффузного канала, привязанного к катодному пятну при таунсендовском и объемном разрядах. Остается спорным и дискутируется вопрос о причинах, в силу которых ОР сменяется канальным.
Проблема контракции ОР высокого давления на сегодняшний день является главным физическим препятствием для наращивания энергии излучения газовых лазеров. Теоретические исследования показали, что в плазме ОР при повышенном давлении развиваются различного рода ионизационные неустойчивости, которые переводят плазму из неравновесного состояния в равновесное [97-101]. При этом основное внимание уделялось расчету продолжительности горения объемной формы разряда и выявлению факторов, влияющих на эту характеристику. Предполагалось также, что неустойчивость развивается одновременно во всем пространстве, занятом плазменным столбом разряда.
С другой стороны, эксперименты [102-105] показали, что контракции ОР всегда предшествует появление на электродах яркосветящихся образований, называемых катодными или анодными пятнами. В местах расположения таких пятен начинается прорастание тонких каналов с повышенной электрической проводимостью. Каналы растут в направлении противоположного электрода. Окончательное перемыкание одним или несколькими каналами разрядного промежутка приводит к необратимому переходу от объемной формы протекания тока к канальной, т.е. к контрагированию разряда.
В ходе экспериментального исследования устойчивости ОР в инертных газах высокого давления выяснилось, что основную роль в механизме контракции играют процессы, происходящие в приэлектродных областях
разряда. Экспериментальное исследование и численное моделирование приэлектродных областей являются чрезвычайно сложной задачей, и теория этой области к настоящему времени не является завершенной. Удобным полигоном для этой цели может служить тлеющий разряд в гелии при атмосферном давлении. Этот разряд уникален сам по себе, так как существует при атмосферном давлении и выше, имеет стабильные характеристики и может использоваться в качестве спектрального источника с линейчатым и сплошным спектром.
В этой связи необходимо продолжить такие исследования, чтобы понять природу плотных плазменных образований на электродах, выявить их влияние на устойчивость ОР и уточнить понимание процессов формирования катодного слоя и образования канала. Это послужит основой для создания подробной теории объемного разряда. Одними из наиболее информативных методов, позволяющих получать информацию о прикатодных процессах, являются спектроскопические методы. Наличие в спектре прикатодной плазмы спектральных линий атомов и ионов материала электродов служит подтверждением возникновения катодных пятен и распыления материала электродов [34-37,69].
Что касается стримерного пробоя, то экспериментальные наблюдения стримерной фазы весьма многочисленны. Вместе с тем, скорость развития лавин так велика, что современные экспериментальные методы не позволяют разрешить пространственно-временную структуру даже в условиях относительно небольших перенапряжений. В случае высоковольтного наносекундного газового разряда (ВНГР) ситуация усугубляется, поскольку время развития лавины до ее перехода в стример оказывается соизмеримым или даже меньше, чем характерное время жизни возбужденных состояний атомов и молекул. В этих условиях доступно только теоретическое исследование лавинной стадии. Однако теоретическое описание процесса разработано недостаточно и позволяет выявить лишь некоторые качественные закономерности. Отсутствует единое мнение как о механизме формирования,
11 так и развитии начальных стадий стримерного пробоя. Ограниченны сведения о таких параметрах переходной стадии, как сила тока, плотность тока; существует в литературе широкий разброс данных по концентрации электронов, проводимости, энерговкладу в разряд и т. д.
Для атомарных газов, особенно гелия и аргона, экспериментальных результатов по формированию искрового канала для таунсендовского, стримерного и объемного разрядов мало по сравнению с молекулярными газами. Недостаточно изучен процесс формирования и устойчивого горения ОР и СДР, а также характер их контракции в искровой канал.
Так как эти газы широко используются в качестве буферных газов в активных средах газовых и эксимерных лазеров, а также в лазерах на пеннинговских смесях инертных газов, то исследование формирования импульсного пробоя в этих газах атмосферного давления является весьма актуальной задачей. Для ее решения необходимо дальнейшее изучение физики электрического пробоя в плотных газах на основе получения возможно более полного набора экспериментальных результатов о параметрах и структуре разряда. С другой стороны, представляет самостоятельный интерес исследование разнообразия наблюдаемых картин развития неустойчивостей объемных разрядов в широком диапазоне изменения начальных условий (величины поля, концентрации первичных электронов, давления газа, формы и материала электродов и т.д.).
Таким образом, в качестве примеров разнообразия имеющихся в этой области физики проблем, не получивших к моменту начала настоящей работы должного объяснения, можно отнести следующие:
1. Отсутствие в научной литературе единого мнения о механизме формирования и развития начальных стадий стримерного пробоя, недостаточность работ по развитию теории процессов, приводящих к возникновению катодной области и данных о механизмах формирования катодного слоя в импульсных разрядах высокого давления.
Многообразие различных механизмов формирования и устойчивого однородного горения ОР, а также характера его контракции в искровой канал.
Существование необычной формы разряда - сильноточного диффузного разряда (СДР), в котором фактически отсутствует контракция.
Многообразие элементарных процессов, протекающих в ОР, и трудность их экспериментального и теоретического исследования.
Отсутствие в научной литературе данных относительно влияния примесей материала электродов, неизбежно поступающих в разряд при распылении материала электродов как на динамику развития разряда, так и на кинетические процессы в приэлектродных областях и в объеме промежутка. Естественно, приведенный перечень далеко не исчерпывает всех проблем,
требующих своего разрешения.
Поэтому целью и главными задачами, которые ставил перед собой автор диссертации, были следующие:
На основе использования теоретических моделей и получения необходимого объема экспериментальных результатов дать целостное, физически непротиворечивое описание начальных стадий импульсного пробоя в инертных газах среднего и высокого давления.
Выявить физические механизмы, объясняющие взаимосвязь различных форм импульсного пробоя газов высокого давления и их устойчивость, способы увеличения предельных значений удельного энерговклада, а также дать анализ процессов, протекающих на электродах и в прикатодных областях, и их роли в поддержании и развитии неустойчивостей объемного разряда.
В широком диапазоне изменения начальных условий (величины поля, концентрации первичных электронов, давления газа, формы и материала электродов и т.д.) проследить за динамикой формирования и развития искрового канала для таунсендовского, стримерного и объемного механизмов пробоя.
Провести исследование спектрального состава излучения приэлектродной плазмы и кинетики ее формирования в режиме распыления материала электродов. Особое внимание предполагается уделить процессу перехода ОР в СДР.
Изучить роль различных элементарных процессов в общей кинетике образования заряженных и возбужденных частиц в плазме объемного разряда в гелии атмосферного давления, а также провести детальный анализ релаксационных процессов в различных типах распадающихся разрядов с учетом влияния паров материала электродов.
Из-за чрезвычайно широкого круга вопросов, рассматриваемых в диссертации, автор не стал посвящать обзору литературы отдельную главу, а сделал краткие обзоры - введения по конкретным проблемам в начальных разделах отдельных глав.
Объектами исследования явились свободнорасширяющиеся самостоятельные импульсные разряды в межэлектродных промежутках (1-3 см) в инертных газах (Не, Аг) в диапазоне давлений 1-5 атм и прикладываемых полей 3-25 кВ/см; поперечный наносекундный разряд с щелевым катодом в инертных газах и их смесях в диапазоне давлений (1-100) Тор и амплитудой поля до 16 кВ; наносекундные разряды в длинных разрядных промежутках, ограниченных стенками разрядной трубки, с амплитудой импульсов тока до 400 А.
Экспериментальные и теоретические методы исследования. Для решения поставленной задачи был принят комплексный подход к исследованию, включающий физические эксперименты и анализ их результатов на основе различных экспериментальных методов: электрических, спектральных и оптических (пространственно-временных) с высоким 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) и гелия (Не II 468,6
нм); температура электронов в искровом канале определялась методом относительных интенсивностеи; характеристики оптического излучения плазмы исследовались методом лучеиспускания; концентрация возбужденных атомов на уровнях с, главным квантовым числом п=2,3,4, а также молекулярных комплексов рассчитывалась теоретически на основе разработанных моделей и алгоритмов их реализации.
Информационную базу исследования составили научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, материалов научных конференций, семинаров.
Достоверность научных результатов и обоснованность научных положений базируется на использовании для выполнения измерений современных средств диагностики с высоким временным и пространственным разрешением, на фундаментальных физических законах, положенных в основу разработанных математических моделей, согласованности результатов численных моделей с имеющимися данными других авторов, систематичности экспериментальных и теоретических исследований в широком диапазоне начальных условий для различных газовых сред, соответствии результатов теоретических исследований результатам эксперимента.
Сочетание численных и экспериментальных методов исследования и их соответствии с имеющимися данными других авторов подтверждает достоверность полученных результатов.
Научная новизна исследования. В результате проделанной работы впервые получены следующие результаты:
1. Проведено систематическое исследование оптических, спектральных и электрических характеристик импульсных объемных разрядов в инертных газах высокого давления и выявлены основные закономерности формирования искрового канала в различных видах разрядов: таунсендовском, стримерном и объемном в диапазоне напряжений от статического пробойного до перенапряжений в сотни процентов.
Исследованы процессы, протекающие при импульсном пробое гелия с самостоятельным инициированием, изучены механизмы его формирования и пространственно-временная структура разряда. Показано, что начальные условия однозначно определяют пространственную структуру разряда как на стадии формирования, так и на более поздних стадиях контракции. При этом наблюдаются разнообразные объемные формы горения импульсных разрядов со свойствами, присущими как нормальным, так и аномальным тлеющим разрядам. Показано, что объемный разряд в Не представляет собой аномальный тлеющий разряд с высокой плотностью тока (»102А/см2) и предельным удельным энерговкладом («0,1 Дж/см ).
Выявлены оптимальные условия формирования и устойчивого горения объемного разряда, а также изучен характер его контракции в искровой канал. Экспериментально установлено, что для объемного разряда в Не, безразмерная величина xr(Ur-I)/(spd), которая однозначно отображает взаимосвязь параметров горения объемного разряда с начальными условиями, постоянна в пределах изменения значений Ео«3-15 кВ/см, р«1-5 атм, d«l-2 см и не зависит от того, каким начальным отношением Е/р и сечением s разряд задается. При этом ионизационная способность электрона г|=а/Ео (а-коэффициент ударной ионизации) максимальна и оптимальны условия для размножения электронов.
Обнаружено, что при высоких удельных энерговкладах >0,1 Дж/см , полях Ео> Екр«12 кВ/см и значительных перенапряжениях (W>300%) объемный разряд в Не переходит в необычный режим объемного горения -сильноточный диффузный режим, в котором практически отсутствует контракция и который характеризуется высокой концентрацией электронов «(1-5)-10 см", плотностью тока «(10-10) А/см и длительностью объемного протекания тока «(1 -3)-10"6 с.
Обоснованы и разработаны вычислительные алгоритмы как для моделирования импульсного разряда в гелии, так и для моделирования
16 развития разряда в парах металла, возникающих в процессе электрического пробоя при распылении разрядных электродов. Изучена кинетика заряженных и возбужденных частиц в объемном разряде. Впервые проведено численное моделирование стадии формирования катодного слоя объемного разряда в гелии. Экспериментально и расчетами показано, что формирование объемного разряда в гелии с предыонизацией происходит в процессе движения одной катодонаправленной волны ионизации, а основным процессом, обеспечивающим ток проводимости с катода на стадии формирования, является фотоэмиссия.
6. Детально исследован спектр излучения приэлектродной плазмы объемного
разряда в гелии, и изучена кинетика заселения возбужденных состояний
атомов паров материала электродов, формируемых в разряде в процессе
электрического пробоя. Обнаружен различный характер формирования
спектрального излучения атомов алюминия и железа. Показано, что на
спектральных линиях излучения атома алюминия существует
рекомбинационный максимум.
7. Исследована релаксация плазмы наносекундного разряда в полом катоде
при средних давлениях (1-100 Тор) с парами материала электродов, и
показано, что рост концентрации паров металла приводит к росту
энергетических потерь электронов и уменьшению по давлению границы
перехода функции распределения от нелокальной к локальной. Кроме того,
увеличение относительного содержания паров металла и давления газа
приводит к увеличению параметра релаксации К, который определяет
потери энергии электронов в упругих и неупругих столкновениях с
атомами исследуемого газа и паров металла.
Научная и практическая ценность работы определяется актуальностью темы и научной новизной проведенных в диссертации исследований. Результаты выполненных комплексных экспериментальных и теоретических исследований изученных разрядов 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 ОКГ.
Полученные в работе новые результаты о характере контракции объемного разряда и режимах горения сильноточного диффузного разряда могут быть использованы для устранения неоднородности плазмы 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.
Результаты исследования спектрального состава излучения приэлектродной плазмы (плазма паров металла, образуемая при распылении электродов) представляют интерес для получения стимулированного излучения в УФ областях спектра. Поэтому целесообразно продолжить исследования с целью применения спонтанного излучения эксимерных молекул буферного газа, концентрация которых в ОР по оценкам составляет 20-30% от концентрации электронов, для возбуждения атомов паров металла электродов.
На защиту выносятся: 1. Результаты исследования физического механизма формирования однородного плазменного столба и катодного слоя самостоятельного объемного разряда в гелии, а также механизм инициирования и развития неустойчивости ОР в гелии; модель формирования катодного слоя самостоятельного объемного разряда в гелии и алгоритм ее теоретического решения; модель формирования объемного разряда в гелии с 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.
Результаты экспериментального исследования начальных стадий импульсного разряда в Не при напряжениях, близких к статическим пробойным, и механизмы влияния граничных условий на формирование таунсендовского, стримерного и объемного разрядов. Модель формирования стримерного пробоя в гелии, основанная на результатах сопоставления измеренных предпробойных токов для таунсендовского и стримерного разрядов с пространственно-временной динамикой формирования начальных стадий разряда. Экспериментальное обоснование существования для объемного разряда в Не безразмерной величины Tr(Ur-I)/(spd), которая однозначно отображает взаимосвязь параметров горения объемного разряда с начальными условиями и является константой в пределах изменения значений Ео »3-15 кВ/см, р«1-5 атм, d«l-2 см и произвольных значений начального отношения Е/р и сечения s разряда. При этом ионизационная способность электрона г]=а/Ео максимальна и оптимальны условия для размножения электронов.
Кинетика релаксации плазмы объемного разряда высокого давления в парогазовых смесях гелия (He-Fe, He-Cu), обусловленная выбросом паров материала электродов в плазму; механизмы ионизационной релаксации в поперечном наносекундном разряде с щелевым катодом в парогазовых смесях инертных газов.
Обнаруженный впервые при больших удельных энерговкладах > 0,1 Дж/см3, полях Ео> Екр«12 кВ/см и значительных перенапряжениях (W > 300%) факт существования необычного режима горения разряда в Не - сильноточного диффузного режима, в котором практически отсутствует контракция и характеризуется высокой концентрацией электронов « (1-5)-1015 см"3,
0 1 "?
плотностью тока «(10 -10 ) А/см и длительностью однородного объемного горения « (1-3)10"6 с.
Результаты проведенного впервые детального исследования спектра излучения приэлектродной плазмы объемного разряда в гелии и кинетики\ заселения возбужденных состояний атомов паров материала электродов, формируемых в разряде в процессе электрического пробоя.
Разработанные и реализованные математические модели для анализа кинетики процессов в плазме самостоятельного объемного разряда в гелии высокого давления с учетом распыления материала электродов, позволяющие рассчитывать характерные значения различных компонент плазмы (концентрация электронов, атомарных и молекулярных ионов, заселенности возбужденных состояний атомов, эксимерных молекул гелия, средней энергии электронов и величины электрического поля) на стадиях формирования и объемного горения.
Личный вклад автора. Личный вклад автора в работы, на основе которых написана диссертация, является определяющим. Все результаты экспериментов и расчетов, представленные в диссертации, получены непосредственно автором или при его определяющем личном участии. Анализ всего цикла работ, выводы диссертации и основные положения, выносимые на защиту, также принадлежат автору.
Апробация результатов исследования и публикации. Материалы, содержащиеся в настоящей диссертационной работе, докладывались на ежегодных научных конференциях ФФ ДГУ, на YII и YIII Всесоюзных конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Ташкент, 1987, Минск, 1991), на XII Республиканской конференции молодых ученых Дагестана (Махачкала, 1988), на IY, Y, YI, YII Всесоюзных конференциях по физике газового разряда (Махачкала, 19 88, Омск, 1990, Казань, 1992, Самара, 1994), на XX Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Пиза, 1991), на II, III, IY Международных конференциях по физике плазмы и плазменным технологиям (Минск, 1997, 2000, 2003), на Всероссийских научных конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1998, 2001, 2004), на региональной конференции по физике
межфазных явлений (Нальчик, 1998), на IX, X Всероссийских конференциях по физике газового разряда (Рязань, 1998, 2000), на научной сессии межведомственного совета РАН по комплексным проблемам физики, химии и биологии (Ростов, 1998), на II Международной конференции по проблемам и вопросам прикладной физики (Саранск, 1999), на I, II, III Всероссийских конференциях по физической электронике (Махачкала, 1999, 2001, 2003), на научной конференции ДНЦ РАН, поев. 275-летию РАН (Махачкала, 1999), на I, II и III Международных конференциях по фазовым переходам и нелинейным явлениям в конденсированных средах (Махачкала, 2000, 2002, 2004), на XXX и XXXI Всероссийских конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2003, 2004), на VI Международной конференции по импульсным лазерам на переходах атомов и молекул (Томск, 2003), а также на научных семинарах ДГУ, МГУ, ИВТ РАН, МЭИ, ИОФ РАН.
Публикации. Основные материалы диссертационной работы отражены в 76 печатных работах, в том числе в 22 статьях в центральных научных журналах, 6 докладах и 48 тезисах докладов на региональных, Всероссийских и Международных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения; содержит 319 страниц, включая 84 рисунков и 16 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 293 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы основные задачи и цели исследования, а также основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна полученных результатов. Приводится краткое содержание диссертации.
В первой главе состоящей из 6 параграфов приводятся экспериментальные и теоретические результаты, описывающие формирование таунсендовского, стримерного и объемного разрядов в газах высокого давления. Особое внимание уделяется как моделям, описывающим начальные
стадии пробоя, так и формированию объемного разряда и его контракции в искровой канал. Электрическими и оптическими методами исследованы основные характеристики импульсных разрядов в инертных газах высокого давления.
Отмечается, что широко применяемые электрофизические, оптические методы диагностики (спектральные, ФЭР и СФР-граммы и т.д.) в целом позволяют извлечь информацию о пространственно-временной структуре разряда, проследить переход одной формы разряда к другой, оценить параметры плазмы разряда и описать эти явления на основе различных моделей.
Описаны условия, определяющие режим формирования и стационарного горения ОР. Показано, что наличие предыонизации газа является одним из необходимых условий зажигания объемного разряда, длительность и устойчивость которого ограничивается неустоичивостями, возникающими в приэлектродных областях.
Показано, что без подсвета первое регистрируемое свечение появляется на аноде при токах «10" -10" А, которое со скоростью »10 -10 см/с перекрывает разрядный промежуток. Перекрытие промежутка приводит к формированию катодного пятна, из которого распространяется искровой канал со скоростью «106 см/с (Ео= 10 кВ/см).
Здесь же приводятся результаты о влиянии начальных условий (величины поля, давления газа, конфигурации электродов, начальной концентрации электронов и т.д.) на пространственную структуру импульсного разряда и анализ результатов пространственно-временной съемки. Установлено, что неоднозначность в формировании объемного разряда при различных способах расположения подсвета связана с неоднородностью начальной концентрации, создаваемой подсветом. Для создания и поддержания устойчивого объемного разряда необходимо обеспечить однородность электрического поля межэлектродного пространства, создать высокий уровень предыонизации, удовлетворяющий условию перекрытия электронных лавин, уменьшить длительность высоковольтных импульсов, прикладываемых к промежутку,
подобрать материал электродов для обеспечения однородной воспроизводимости вторичных электронов с катода.
Приведены результаты экспериментальных исследований электрических характеристик разряда. Показано, что напряжение горения объемного разряда составляет и^ЗООО В и не зависит от величины приложенного поля при постоянном давлении газа в промежутке. С ростом давления напряжение горения объемного разряда линейно возрастает. Несмотря на значительные энерговклады в объемный разряд («0,1 Дж/см ) его сопротивление остается постоянным и уменьшается с ростом внешнего напряжения. По плотности тока оценена средняя концентрация электронов на различных стадиях пробоя. Приводятся также осциллограммы предпробойных токов для таунсендовского и стримерного разрядов. При атмосферном давлении определена граница по напряжению, выше которой пробой развивается по стримерному механизму и которая составила « 5,6 кВ. Предложена модель формирования стримерного пробоя в Не атмосферного давления.
Далее приводятся экспериментальные результаты о времени зажигания разряда, энерговкладе в объемный разряд, влиянии начальных условий на длительность и устойчивость объемной фазы разряда. Показано, что объемный разряд в Не представляет собой аномальный тлеющий разряд с высокой
0 0 1^14^
плотностью тока («10 А/см ), концентрацией электронов «10 -10 см" и предельным удельным энерговкладом «0,1 Дж/см , длительность и устойчивость которого определяется критической плотностью тока jKp и энерговкладом и не зависят от того, какое внешнее поле Ео и каково сечение s разряда.
Во второй главе диссертации приводится описание экспериментальной установки и методов измерений параметров плазмы импульсного разряда в Не атмосферного давления по спектрам излучения. Диагностический стенд включает в себя вакуумную систему («10" Тор), спектрографы (СТЭ-1, ИСП-30, ДФС-458 С), монохроматоры (ДМР-4, МДПС-3), генератор импульсов напряжения (амплитудой до 30 кВ) и фронтом нарастания «10 не),
фотоумножители (ФЭУ-29, ФЭУ-30, ФЭУ-77. ФЭУ-79. ФЭУ-87), разрядные камеры с кварцевыми окнами, скоростные и высоковольтные осциллографы (C8-I2, C8-I4. CI-75, OK-2I, ЛОР-6), систему синхронизации (ГЗИ-6, ГИ-1) и предыонизации (создаваемое плотность электронов По«10 - 10 см"). Здесь же приводится описание фотоэлектрического метода записи спектра излучения разряда с временным разрешением «10 не. Обосновываются также основные методики измерений, и анализируются их погрешности.
Обсуждаются результаты исследования спектральных характеристик разряда. Приводятся данные о наблюдении линейчатых спектров излучения плазмы гелия как из столба, так и из прикатодной плазмы, и их изменении во времени. Изучены наиболее интенсивные спектральные линии гелия, возбуждаемые в видимой и в близкой УФ области спектра, и проанализированы их отличительные особенности и механизмы заселения соответствующих уровней.
Режим протекания тока однозначно взаимосвязан с пространственной формой и типом разряда: в ОР ток носит апериодический характер, в контрагированном разряде устанавливается колебательный режим затухания тока, который определяет продолжительность свечения как разряда, так и спектральных линий. На фазе СДР и в искровом канале интенсивности спектральных линий возрастают, возбуждаются достаточно интенсивно ионные линии гелия Не. Изменение ионных линий во времени повторяют ход изменения разрядного тока и на стадии объемного разряда слабо зависят от внешнего поля.
С ростом давления газа в промежутке наблюдается увеличение интенсивности излучения атомарных и ионных линий Не, связанное с падением температуры электронов в плазме и охлаждением электронов в упругих столкновениях с атомами Не, а также некоторым возрастанием концентрации пе в этих условиях.
Результаты исследования спектра излучения паров материала вещества электродов (А1, Fe) из приэлектродных областей разряда приведены в 2.2.
Выявлены наиболее интенсивные линии паров алюминия и железа. Обнаружено, что на временной зависимости интенсивности линий атомов алюминия характерно наличие двух максимумов, а железа - один. Показано, что второй максимум на осциллограмме спектральной линии алюминия является рекомбинационным.
Одновременная регистрация тока с ФЭУ и импульса напряжения позволила определить момент возбуждения линий в разряде относительно момента приложения напряжения, в частности, определить начало зажигания катодного пятна по появлению линий материала катода. Рассмотренные результаты позволяют заключить, что при увеличении перенапряжения уменьшается время запаздывания формирования катодного пятна, обусловленное увеличением прикатодного падения потенциала и плотности тока разряда.
Приведены результаты расчетов степени однородности плазменного столба в зависимости от поля, давления газа и концентрации электронов предыонизации. Здесь же с учетом флуктуации как количества электронов в различных лавинах, так и флуктуации в пространственном распределении лавин, электростатического расталкивания получены условия формирования однородного разряда.
Детально исследована динамика оптического излучения поперечного наносекундного разряда с щелевым катодом (2.4). Описана разрядная камера и генератор импульсов напряжения, обоснован выбор формы полого катода и расстояние между электродами, связанная с требованиями устойчивого горения объемного разряда при средних давлениях газа. Исследования выполнены в разрядах гелия и аргона при давлениях 1-100 Тор. Приводятся результаты исследования пространственно-временных картин формирования разряда с щелевым катодом с наносекундным временным разрешением в гелии и аргоне при различных прикладываемых напряжениях. Определены условия при которых в гелии и в аргоне формируются ОР, искровые каналы и катодные пятна.
Концентрация и температура электронов на более поздних стадиях развития определялись соответственно по контурам спектральных линий (штарк-эффект) и по методу относительной интенсивности. В искровом канале основную роль играют столкновительные процессы и через 60-70 не после формирования искрового канала происходит интенсивный нагрев газа и выравнивание температуры электронов и тяжелых частиц. Искровой канал в Не характеризуется высокой плотностью электронов («10 см* ), температурой »3-4 эВ и проводимостью «10 Ом-см" (2.5).
В третьей главе диссертации рассматриваются современные представления о физике электрического пробоя газов высокого давления (3.1-3.2).
Последовательные стадии развития разряда, полученные при различных начальных напряжениях показывают, что во всех случаях наблюдаются формирование и развитие узких, диаметром 0.1-0.2 см, плазменных образований. С ростом напряженности поля число этих образований увеличивается. Радиус плазменного образования по мере его распространения увеличивается за счет амбиполярной диффузии. После перекрытия плазменным образование^ промежутка ток разряда достигает значения 5-10 А (при Uo=6 кВ), что приводит к спаду напряжения на промежутке. Оценки по плотности тока («10 А/см) показывают, что в момент перекрытия плазменным образованием промежутка концентрация заряженных частиц у катода составляет пе«1015 см"3. Образование катодного пятна приводит к распространению искрового канала, т.е. имеет место трансформация плазменных образований в искровой канал, повторяющий характерные искривления траектории одного из них. В последующем искровой канал переходит в однородный столб дуги.
Как показывают наши исследования, единый процесс стримерного пробоя газа условно можно разделить на три этапа: первый соответствует росту концентрации электронов примерно до «10й см"3 (развивается лавина ионизации); второй - это переход лавины в плазменное состояние,
распространяющееся к электродам со скоростями большими, чем скорость дрейфа лавины; третий этап связан с дальнейшим ростом концентрации заряженных частиц до «1013 см"3, при которой происходит экранировка внешнего поля в плазменном образовании. Каждый из этих этапов можно рассматривать как распространение волны ионизации.
Таким образом, второй этап развития теории стримерного пробоя связан с возникновением плазменной модели пробоя газов высокого давления. В отличие от классической теории, согласно этой модели в плазменной области лавины происходит быстрая дебаевская экранировка внешнего поля и, как следствие, быстрое охлаждение электронов. Вызванный охлаждением электронов процесс рекомбинации приводит к появлению интенсивного ионизирующего излучения и другому характеру распространения стримера.
В заключение отмечается, что стримерный пробой происходит при амплитудах электрического поля Ео, больших минимального значения Emjn, которое определяется условием перехода лавины в плазменное состояние к моменту достижения лавиной анода. С другой стороны, стример не развивается при некотором максимальном значении Етах, при котором реализуется режим непрерывного ускорения электронов.
В 3.3 рассматриваются самостоятельные разряды с предыонизацией, изучены характеристики горения ОР и проанализированы литературные данные о механизмах и моделях формирования ОР. В частности, выполненные нами результаты эксперимента показывает, что когда катодонаправленный плазменный столб пересекает промежуток разряд остается однородным. В случае, когда ионизационная волна в обедненной зоне приобретает вследствие расслоения нитевидный характер, то при высоких перенапряжениях разряд переходит в сильноточный диффузный режим (СДР, см. 4.4). Подобная ситуация может реализоваться, когда на катоде имеется микронеоднородность, искажающая внешнее электрическое поле.
Результаты выполненных исследований можно суммировать следующим образом:
При фиксированном взаимном расположении электродов основного и вспомогательного разрядов, излучение которого создает предыонизацию, существует некоторое минимальное значение энерговклада на предыонизацию, ниже которого не удается получить объемный разряд ни при каких значениях начальной напряженности поля и времени задержки между включением разрядов.
Оптимальная величина сдвига между включением вспомогательного и основного разрядов равна длительности импульса подсветки.
При фиксированном режиме предыонизации существует определенный диапазон начальных напряжений на разрядном конденсаторе, в пределах которого реализуется устойчивый объемный разряд. Для разряда в гелии этот диапазон находится в пределах 3-9 кВ.
Способ инициирования начальных электронов определяет пространственную структуру разряда на стадии формирования и структуру разряда на более поздней стадии коммутации. Равномерное распределение начальных электронов в промежутке обеспечивает объемное протекание тока.
Процесс протекания объемного разряда можно разделить на следующие этапы: формирование, режим стационарного горения, распад или образование искрового канала. Все эти стадии импульсного пробоя взаимосвязаны и естественным образом переходят одна в другую.
В четвертой главе рассматриваются результаты исследования физического механизма формирования и развития плазменного столба и катодного слоя объемного импульсного разряда в гелии при атмосферном давлении, физические процессы, протекающие в прикатодной области и их роль в формировании искрового канала, а также изучены процессы, влияющие на устойчивость однородных объемных разрядов (4.1-4.2). В приэлектродной области разряда неизбежно формируется высокое значение напряженности поля, которое растет с ростом плотности тока вблизи катода. В конечном итоге это приводит к переходу от однородной формы горения к контрагированному разряду. Показано, что катодный слой неустойчив к флуктуациям плотности
тока разряда. В результате развития неустойчивости плотность тока на отдельных участках катода возрастает, при этом уменьшается катодное падение потенциала, а напряженность поля Ек на катоде продолжает нарастать с ростом j, хотя и медленнее, чем в отсутствии автоэмиссии. Именно это и является предпосылкой дальнейшего увеличения тока автоэмиссии и последующего перехода автоэлектронной эмиссии во взрывную.
В 4.3 представлены результаты экспериментальных исследований особенностей формирования и прорастания искрового канала в гелии и в аргоне. Изучены механизмы прорастания искрового канала из катодного пятна. Причиной образования контрагированного канала служит развитие неустойчивости, которая нарушает однородность протекания тока в катодном слое. Роль инициирующих факторов при этом играют катодные и анодные пятна. С увеличением прикладываемого поля число катодных пятен и соответственно число нитевидных каналов увеличивается.
Здесь же показано, что, несмотря на высокую проводимость, поле в канале остается высоким, соответственно выше и плотность энергии, выделяемой в канале. Образование высокопроводящего канала создает необходимые предпосылки для его самоподдержания. С увеличением области, занятой каналом, увеличивается поле внутри канала, и процесс контракции разряда становится необратимым.
Рассматривается подход, основанный на предположении, согласно которому катодное пятно вносит искажение в распределение электрического поля в столбе вблизи пятна. Тогда в усиленном поле происходит ударная ионизация и за счет роста проводимости потенциал вновь вытесняется из более ионизированной области в столб разряда. Так происходит распространение волны ионизации. Описываемая трактовка распространения волн ионизации предполагает, что увеличение проводимости на фронте происходит за счет размножения электронов при их соударении с нейтральными частицами.
Таким образом, обсуждаемые результаты показывают, что в широком диапазоне плотностей токов и длительностей горения разряда процесс контракции происходит за счет прорастания высокопроводящих каналов со стороны электродов (Vk «106 см/с). При этом роль инициирующих факторов для развития процесса контракции играют катодные и анодные пятна.
Результаты развитие ОР при больших перенапряжениях и больших удельных энерговкладах представлены в 4.4. Как и для случая разряда в смеси благородных газов с галогенидами [27,28] впервые обнаружено, что при высоких энерговкладах >1 Дж (величина накопительной емкости «1,5-10"8 Ф), поля Ео> Екр«12 кВ/см) и значительных перенапряжениях (W>300%) объемный разряд в Не переходит в необычный режим объемного горения - сильноточный диффузный режим (СДР), в котором практически отсутствует контракция и характеризуется высокой концентрацией электронов »(1-5)-1015 см"3, плотностью тока « (10 -1(Г) A/cmz и длительностью объемного протекания тока «(1-3)-10"6 с. Механизм формирования СДР в гелии таков: развитие объемного разряда затормаживается на промежуточной стадии - диффузные каналы, которые исходят из катодных пятен и перекрывают промежуток. В дальнейшем эти каналы, сливаясь, образуют однородный столб разряда высокой проводимости. Дальнейшее повышение напряжения приводит к росту числа катодных пятен на поверхности катода, из которых прорастают диффузные каналы. Диаметр этого столба растет по мере увеличения приложенного напряжения. Так образуется в Не столб плазмы с высокой проводимостью.
Распространение в промежутке последовательно перекрывающихся диффузных каналов при практически постоянном напряжении, возможно, связано с существованием механизмов ограничения плотности тока в Не, затрудняющий протекание всей запасенной в конденсаторе энергии через один диффузный канал и приводящих к увеличению объема, занимаемого разрядом в процессе роста вводимой в плазму энергии. Значительно больше энергии удается вводить в газ именно в фазе СДР.
В пятой главе представлены результаты моделирования импульсного разряда в Не атмосферного давления и алгоритмы его реализации (5.1), обсуждаются результаты исследований электрокинетических характеристик на стадии формирования и устойчивого горения ОР. Численными методами получены результаты, позволяющие выяснить роль различных элементарных процессов в общей кинетике импульсного объемного разряда, инициируемого УФ - предыонизацией во взаимосвязи с параметрами внешней электрической цепи.
Путем анализа скоростей различных элементарных процессов изучена их роль в общей кинетике развития объемного разряда. Показано, что на стадии формирования ОР доминирует процесс ударной ионизации атомов гелия из основного состояния, эффективность которого на порядок выше роли процессов ступенчатой и ассоциативной ионизации атомов. Роль последних двух процессов увеличивается на стадии горения ОР. Обратным процессом, обеспечивающим режим стационарного горения ОР, является диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов Неї с электронами.
Основным механизмом образования молекулярных ионов Нег+ является процесс конверсии атомарных ионов в молекулярные. Характерное значение концентрации молекулярных ионов в ОР составляет «10 -10 см", что составляет 15-30 % от концентрации электронов в ОР. Рассчитаны характерные значения различных компонент плазмы (концентрация электронов, атомарных и молекулярных ионов, заселенности возбужденных состояний атомов, эксимерных молекул гелия, средней энергии электронов и величины электрического поля) на стадиях формирования и объемного горения. Показано также, что на стадии объемного горения образуются эксимерные молекулы гелия, которые служат эффективным резервуаром для вкладываемой энергии.
Экспериментально и численными методами показано, что с формированием объемного разряда напряжение горения Ur при различных значениях Е0 стремится к такому значению, при котором Ur/pd остается
постоянным. При этом ионизационная способность электрона г|=а/Е0 максимальна и оптимальны условия для размножения электронов. Показано, что модель численного исследования электрокинетических характеристик объемных разрядов высокого давления позволяет правильно предсказать коммутационные характеристики этих разрядов при различных начальных условиях.
В 5.2 приведены результаты численного моделирования процесса формирования катодного слоя объемного разряда в гелии. Показано, что на начальной стадии формирования разряда плазменный столб отодвигается от катода и между плазменным столбом и катодом образуется зона, обедненная электронами, в которой концентрация ионов больше, чем электронов. Ионы частично экранируют внешнее поле, ослабляя его в плазменном столбе и усиливая в прикатодной области, что приводит к формированию в межэлектродном промежутке катодонаправленной волны ионизации (КВИ). Показано, что впереди фронта КВИ скорость ионизации газа мала из-за малого количества электронов, которые размножаются в искаженном электрическом поле при движении от катода к аноду, а за фронтом - из-за уменьшения напряженности электрического поля. И по мере накопления положительных ионов на фронте КВИ напряженность электрического поля впереди от КВИ увеличивается, и максимум ионизации газа сдвигается к катоду.
Скорость КВИ увеличивается с увеличением интенсивности накопления положительных ионов, которая определяется как искажением электрического поля, так и скоростью рождения электронов на катоде за счет фотоэмиссии и
7 Я.
по порядку величины составляет «10 -10 см/с. Здесь же показано, что основным механизмом, обеспечивающим непрерывность тока проводимости на стадии формирования ОР, является фотоэмиссия с катода.
В 5.3 обсуждаются результаты влияния паров металла, формируемых при распылении материала электродов, на однородность, устойчивость и кинетику процессов в разряде. Анализируются результаты исследования особенностей инициирования и развития неустойчивостей ОР.
.32
По экспериментально измеренным временам запаздывания формирования катодных пятен оценены характерные размеры пятен и плотности тока через пятно, которые составляют величины порядка « 10 мкм и 10 А/см соответственно. Также показано, что средняя плотность тока в столбе jo определяет не только процесс зажигания катодного пятна, но и характер последующего горения разряда.
В шестой главе рассмотрены релаксационные процессы в импульсных разрядах с различной конфигурацией электродов и длин разрядных промежутков как в инертных газах и их смесях, так и при наличии паров материала электродов, формируемых в разряде в процессе распыления электродов.
В 6.1 рассмотрены результаты исследования релаксации ОР в гелии и в парогазовой смеси гелия (He-Fe, He-Cu) атмосферного давления. Отмечается, что процесс пробоя газа сопровождается многочисленными взрывами на поверхности электродов, приводящих к выбросу паров материла электродов в плазму. Поскольку пары металла обладают низким потенциалом ионизации по сравнению с атомами гелия, то они образуют с буферным газом (Не) пеннинговскую смесь. При этом в спектре излучения импульсного разряда в гелии формируются спектральные линии материала вещества электродов, обусловленные взрывоэмиссионным механизмом формирования катодных и анодных пятен.
Концентрация паров в области катодных и анодных пятен может быть высокой, а в объеме плазмы их концентрация, по проведенным нами оценкам, составляет величины порядка 10 -10 см" . Несмотря на существование паров металла, основной рост концентрации электронов в столбе обусловлен ионизацией атомов гелия, однако следует отметить, что атомы примеси, обладая низким потенциалом ионизации, могут создавать области повышенной проводимости в местах их преимущественного расположения.
В 6.2 описаны результаты исследования процессов ионизационной релаксации в поперечном наносекундном разряде с щелевым катодом в гелии и
в смеси гелий-аргон в диапазоне давлений газа 1-100 Тор. Показано, что энергия быстрых электронов, формирующихся в процессе пробоя, составляет величину порядка 1 кэВ. Проанализированы механизмы и особенности релаксации энергии этой группы электронов. Показано, что в процессе релаксации энергии быстрых электронов локальный режим формирования функции распределения электронов по энергиям сменяется на нелокальный.
Для выяснения влияния паров материала электродов на релаксацию плазмы наносекундного разряда с щелевым катодом были рассчитаны параметры релаксации в меди и алюминии соответственно при различных парциальных давлениях смесей [Не:Си], [Не:А1]=1:10" ; 1:3-10" .
Установлено, что появление паров материала электродов в разрядном объеме приводит к росту энергетических потерь электронов в объеме и к уменьшению по давлению границы перехода функции распределения электронов от нелокальной к локальной.
В 6.3 - 6.4 рассмотрены результаты исследования релаксации плазмы в различных средах.
В -заключении диссертации сформулированы основные результаты и выводы работы.
