Содержание к диссертации
Введение
2. Используемая терминология и исходные пункты для формулировки задач диссертационной работы 23
3. Экспериментальный комплекс для исследования динамики субнаносекундного электрического пробоя газовых промежутков методом электронно-оптической хронографии 28
3.1. Введение 28
3.2. Схема синхронизации эксперимента 28
3.3. Генератор поджигающих импульсов 35
3.4. Высоковольтная линия задержки 43
3.5. Электронно-оптическая камера 48
3.6. Испытательная камера 52
3.7. Конструкция электродов разрядного промежутка 53
3.8. Выводы 55
4. Исследования свечения сопровождающего субнаносекундный электрический пробой сильноперенапряженных газовых промежутков методом электронно-оптической хронографии 57
4.1. Введение 57
4.2. Исследования свечения сопровождающего субнаносекундный пробой сильноперенапряженных газовых промежутков при давлениях газа от 4 до 15 атм. Экспериментальные результаты. 59
4.3. Моделирование процессов в газе при давлении от 4 до 15 атм на предпробойной стадии . 67
4.4. Исследования свечения сопровождающего субнаносекундный пробой сильноперенапряженных газовых промежутков при давлении газа от 30 до 40 атм. Экспериментальные результаты. 78
4.5. Моделирование процессов в газе при давлении от 30 до 40 атм на предпробойной стадии. 80
4.6. Выводы 83
5. Переход электронов в режим непрерывного ускорения при субнаносекундном электрическом пробое в газах высокого давления 84
5.1. Введение 84
5.2. Экспериментальная установка 87
5.3. Результаты экспериментов и их обсуждение 91
5.4. Выводы: 100
6. Исследование механизмов газового пробоя под действием импульсов напряжения субнаносекундной длительности 102
6.1. Введение 102
6.2. Экспериментальная установка 104
6.3. Измерение пороговых напряжений коммутации 108
6.4. Измерение времени формирования пробоя 125
6.5. Измерение времени коммутации 128
6.3. Выводы 132
7. Практическое применение субнаносекундных импульсов напряжения 133
7.1. Введение. 133
7.2. Субнаносекундные компактные рентгеновские аппараты 135
7.2.1. Макет рентгеновского аппарата с гибким зондом-излучателем. 135
7.2.2. Коаксиальные кабели, использованные в макете рентгеновского аппарата 138
7.3. Взрывоэмиссионный диод и режимы его работы 140
7.4. Ресурс работы гибкого рентгеновского зонда-излучателя 153
7.5. Выводы 153
8. Заключение. Основные результаты работы 156
9. Список публикаций автора 160
10. Литература
- Генератор поджигающих импульсов
- Моделирование процессов в газе при давлении от 4 до 15 атм на предпробойной стадии
- Результаты экспериментов и их обсуждение
- Измерение пороговых напряжений коммутации
Введение к работе
Актуальность темы. На момент начала исследований, описанных в настоящей диссертационной работе, в литературе имелось очень ограниченное число публикаций, которые относились бы к физике импульсного пробоя в газе в субнаносекундной области времен. Прежде всего, это связано с тем, что только ограниченное число исследовательских групп имеют в наличии высоковольтную субнаносекундную технику и одновременно имеют опыт исследований в физике импульсного пробоя газов. При этом в экспериментах главным образом использовался метод осциллографической регистрации явлений при пробое.
Между тем, подобные исследования стимулируются как с точки зрения фундаментальных вопросов физики пробоя, так и со стороны практических применений. В частности, область уже освоенных применений наносекундных импульсов чрезвычайно широка. Среди наиболее иллюстративных применений наносекундных импульсов можно указать осуществление модуляции добротности твердотельных лазеров, накачку полупроводниковых лазеров, генерацию электронных пучков и рентгеновского излучения, генерацию микроволнового излучения в приборах релятивистской СВЧ электроники и т.д. В принципе, таковы же применения субнаносекундных импульсов [1]. Однако в этой области оказывается возможным получать и совершенно уникальные эффекты. Например, использование более коротких импульсов для генерации электромагнитного излучения позволяет осуществлять широкополосную радиолокацию. Субнаносекундные пучки электронов и рентгеновского излучения являются уникальным инструментом для исследования физики взаимодействия излучения с веществом, когда время импульсного воздействия становится соизмеримым и даже меньше, чем характерные времена некоторых переходных процессов в газах и твердых телах. Важным фактором является то, что электрическая прочность практически любой среды возрастает при уменьшении длительности импульса. В итоге оказывается возможным создавать малогабаритные импульсные рентгеновские аппараты и сверхминиатюрные рентгеновские трубки, которые имеют перспективы использования для внутриполостной диагностики.
Но при этом практическое использование субнаносекундных газовых разрядников значительно опережает понимание физики их работы. На сегодняшний день, по сути, нет полной физической картины их работы в субнаносекундном диапазоне, а сами разрядники разрабатываются эмпирически, путем проб и ошибок. А, следовательно, и не понятно, какую предельную скорость коммутации и за счет каких физических процессов можно получить. Т.е. до конца не ясны и возможности практического применения таких разрядников. Таким образом, исследования газового пробоя в субнаносекундном диапазоне времен, с одной стороны, представляют фундаментальный интерес для развития физики пробоя, а с другой стороны, сильно стимулируются потребностями высоковольтной импульсной техники. Фактически эти исследования проводились и проводятся сейчас параллельно с разработками генераторов высоковольтных импульсов с субнаносекундными фронтами.
Таким образом, предлагаемое направление работ в диссертации, безусловно, актуально.
Цель работы. Основным направлением работ в диссертации является исследование газового пробоя в условиях, когда реализуются субнаносекундные времена коммутации разрядного промежутка, а также исследование пробоя под воздействием импульсов субнаносекундной длительности. При этом будут использованы как традиционный метод осциллографической регистрации явлений при пробое, так и метод высокоскоростной электронно-оптической хронографии для наблюдения световых явлений в разряде. Особое внимание будет уделено изучению разряда в условиях, близким к условиям работы субнаносекундных газовых разрядников. Подробнее конкретные цели работ будут сформулированы во введениях к соответствующим главам.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
1. Методом высокоскоростной электронно-оптической хронографии было
исследовано свечение, сопровождающее пробой газа (в диапазоне давлений от 4
до 40 атм) под действием импульсов напряжения с фронтом 1 не и короче.
Оценены скорости волновых ионизационных процессов и изучена динамика
развития волн ионизации на стадии формирования пробоя. Измерения
проводились в условиях больших перенапряжений. На разрядный газовый
промежуток от генератора импульсов подавались импульсы напряжения
амплитудой 70 - 150 кВ.
-
Показано, что за счет распространения катодонаправленной волны ионизации, вблизи катода на предпробойной стадии на короткое (до 100 пс) время формируется область усиленного поля с напряженностью в 7-15 раз превышающей среднюю напряженность электрического поля в разрядном промежутке. В результате такого усиления поля, часть плазменных электронов может перейти в режим непрерывного ускорения.
-
Показано, что при субнаносекундном пробое сильноперенапряженных газовых промежутков высокого, вплоть до 40 атмосфер, давления в плазме газового разряда регистрируется пучок "быстрых" или "непрерывно ускоренных" электронов. При этом, "быстрые" электроны регистрируются во всех пробоях газового зазора, при которых между электродами образуется искра. Ранее при таких высоких давлениях газа "быстрые" электроны не регистрировались.
-
Впервые зарегистрирован откол материала с тыльной стороны анода под действием пучка быстрых электронов, формирующихся в газе высокого давления.
-
Проведен цикл экспериментов по измерению пороговых напряжений, при которых начинают регистрироваться существенные токи в газовом промежутке при воздействии су бнано секундных импульсов напряжения. Измерены времена формирования пробоя и времена и скорости коммутации в субнаносекундном диапазоне. Массив данных получен для широкого диапазона давлений (от атмосферного до 40 атм) и степени перенапряжения на разрядном газовом
промежутке и может быть использован в качестве справочного при конструировании газовых разрядников высокого давления.
6. В субнаносекундном диапазоне получена зависимость потенциала зажигания в
азоте от произведения давления на величину разрядного газового промежутка
(кривая Пашена). Обнаружено, что в субнаносекундном диапазоне нарушен закон
подобия. При одинаковом значении произведения давления на величину
разрядного газового промежутка потенциал зажигания существенно зависит от
давления газа в промежутке.
-
Показано, что в субнаносекундном диапазоне при неизменной ширине разрядного газового промежутка с ростом давления значительно падает перенапряжение на промежутке. При этом время формирования пробоя увеличивается лишь примерно на 40-50%, а время коммутации, и, соответственно, скорость коммутации остаются практически неизменными.
-
Показано, что за счет увеличения электрической прочности изоляционных элементов в субнаносекундном диапазоне можно создавать взрывоэмиссионные диоды диаметром до 9 мм, которые могут быть использованы в качестве рентгеновской трубки в компактных субнаносекундных рентгеновских аппаратах с гибким кабельным зондом-излучателем.
-
Показано, что взрывоэмиссионные диоды можно использовать в качестве источников субнаносекундного рентгеновского излучения в широком диапазоне амплитуд питающих диод субнаносекундных импульсов напряжения. При этом величина полученной дозы рентгеновского излучения в диодах с одинаковой конструкцией разрядного промежутка остается постоянной в широком диапазоне условий: от высокого вакуума (остаточный вакуум 10" Па) до газа низкого давления (1 Па).
Практическая ценность работы состоит в том, что:
во-первых, получены новые физические данные по механизмам инициирования и динамике развития субнаносекундного пробоя сильноперенапряженных газовых промежутков. Газовые разрядники высокого давления широко применяются в различной электрофизической аппаратуре нано и субнаносекундного диапазонов. Полученные данные могут быть полезными для разработчиков новых типов сверхбыстрых газовых коммутаторов;
во-вторых, экспериментально получен набор данных по пороговым напряжениям коммутации, временам формирования пробоя и временам и скоростям коммутации для широкого диапазона давлений газа и перенапряжений на промежутке. Эти данные оформлены в виде таблиц и графиков и могут быть непосредственно использованы при проектировании газовых коммутаторов в качестве справочного материала.
в-третьих, на базе малогабаритных генераторов импульсов напряжения серии РАДАН (РАДАН-303, РАДАН-ЭКСПЕРТ) разработаны лабораторные образцы субнаносекундного рентгеновского аппарата с миниатюрной трубкой-излучателем, соединенной с источником высоковольтных импульсов напряжения
посредством серийно выпускаемого тонкого гибкого 50-Омного низковольтного радиочастотного коаксиального кабеля (РК50) длиной 1 м. В качестве рентгеновского излучателя использовались миниатюрные (диаметром до 9 мм) взрывоэмиссионные диоды, также разработанные в рамках диссертационной работы. Были получены дозы субнаносекундного рентгеновского излучения в несколько десятков миллирентген за импульс. Генераторы РАДАН способны работать с частотой следования импульсов до 100 Гц, что позволяет накапливать дозу рентгеновского излучения до значений, необходимых для практического применения. Основными преимуществами рентгеновского аппарата субнаносекундного диапазона с миниатюрной трубкой-излучателем, соединенной с источником высоковольтных импульсов напряжения посредством тонкого гибкого коаксиального кабеля по сравнению с традиционными наносекундными рентгеновскими аппаратами являются:
(а) Уменьшенные габариты и вес (от 10 до 32 кг в нашем исполнении). И эти
параметры еще могут быть уменьшены при использовании генераторов
импульсов с меньшим выходным напряжением в частотном режиме работы;
(б) Возможность подвести миниатюрную рентгеновскую трубку посредством
гибкого тонкого длинного кабеля к труднодоступным объектам, облучение
которых традиционными рентгеновскими аппаратами затруднено или
невозможно.
Компактные субнаносекундные рентгеновские аппараты с гибким отпаянным зондом-излучателем, могут быть востребованными в медицине при близкофокусной рентгенотерапии онкологических заболеваний (тонкий рентгеновский зонд излучатель может быть доставлен к больному органу через небольшой хирургический разрез) и стать альтернативой изотопным зондам, применяемым в настоящее время. Кроме того, аппарат может использоваться в промышленности при неразрушающем контроле изделий с отверстиями малого диаметра и большой длины.
в-четвертых, разработанные для экспериментальных установок схемы субнаносекундной синхронизации, а также входящие в состав установок оригинальные приборы (например, генератор Аркадьева-Маркса с су бнано секундным фронтом и повышенной стабильностью временных параметров) и их отдельные узлы (например, кабельные линии задержки высоковольтных субнаносекундных импульсов) могут быть использованы в дальнейших экспериментах и в коммерческих версиях приборов.
Так с учетом полученного в диссертации опыта обострения фронта импульсов (от 20 не до 0.3 не, выходной узел генератора Аркадьева-Маркса) в лаборатории электронных ускорителей ИЭФ УрО РАН был по контракту изготовлен обостритель импульсов для университета в г. Сингапуре.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Субнаносекундная синхронизация высоковольтного генератора импульсов РАДАН 303 и электронно-оптической камеры, позволила впервые провести
регистрацию свечения сопровождающего субнаносекундный пробой сильноперенапряженных газовых промежутков высокого давления. Были измерены скорости волновых ионизационных процессов и изучена динамика развития пробоя.
-
За счет распространения катодонаправленной волны ионизации, вблизи катода на предпробойной стадии на короткое (до 100 пс) время формируется область усиленного поля с напряженностью в 7-15 раз превышающей среднюю напряженность электрического поля в разрядном промежутке. В результате такого усиления поля, часть плазменных электронов может перейти в режим непрерывного ускорения.
-
Зарегистрирован пучок "быстрых" или "непрерывно ускоренных" электронов при субнаносекундном пробое сильноперенапряженных газовых промежутков высокого, вплоть до 40 атмосфер, давления. При этом, "быстрые" электроны регистрируются во всех пробоях газового зазора, при которых между электродами образуется искра. Ранее при таких высоких давлениях газа "быстрые" электроны не регистрировались.
-
Обнаружен откол материала с тыльной стороны анода под действием пучка "быстрых" электронов, формирующихся в газовом разряде высокого давления.
-
Получен массив данных по пороговым напряжениям коммутации, при которых начинают регистрироваться существенные токи в газовом промежутке при воздействии субнаносекундных импульсов напряжения; временам формирования пробоя; временам и скоростям коммутации в субнаносекундном диапазоне. Данные получены для широкого диапазона давлений (от атмосферного до 40 атм) и степени перенапряжения на разрядном газовом промежутке и могут быть использованы при проектировании газовых коммутаторов в качестве справочного материала.
6. Зависимость потенциала зажигания в азоте от произведения давления на
величину разрядного газового промежутка (кривая Пашена) полученная для
субнаносекундного диапазона показывает, что в субнаносекундном диапазоне
нарушен закон подобия: при одинаковом значении произведения давления на
величину разрядного газового промежутка потенциал зажигания существенно
зависит от давления газа в промежутке.
7. Увеличение электрической прочности изоляционных элементов в
субнаносекундном диапазоне позволило создать взрывоэмиссионные диоды
диаметром до 9 мм, которые могут быть использованы в качестве рентгеновской
трубки в компактных субнаносекундных рентгеновских аппаратах с гибким
кабельным зондом-излучателем.
8. Величина полученной дозы рентгеновского излучения у взрывоэмиссионных
диодов с одинаковой конструкцией разрядного промежутка остается постоянной в
широком диапазоне условий: от высокого вакуума (остаточный вакуум 10" Па) до
газа низкого давления (1 Па).
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции "Генерирование мощного микроволнового излучения и коротких импульсов (Int. Workshop on High Power Microwave Generation and Pulse Shortening)" (Эдинбург, Великобритания, 1997); 13 Международной конференции "Газовые разряды и их применения" (Глазго, Великобритания, 2000); 12, 13, 14, 15 Международным симпозиумам по сильноточной электронике (Томск, Россия, 2000, 2004, 2006, 2008); 20 Международной конференции "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество" (п. Эльбрус, Кабардино-Балкария, Россия, 2005), 21 Международной конференции "Уравнения состояния вещества" (п. Эльбрус, Кабардино-Балкария, Россия, 2006); 11 Международной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (Томск, Россия, 2013); 11 Международной конференции "Газоразрядная плазма и ее применения" (Томск, Россия, 2013).
Исследования были поддержаны восемью грантами (в пяти из них диссертант был руководителем):
Гранты РФФИ:
№99-02-16462-а "Субнаносекундный импульсный электрический пробой сильно перенапряженных вакуумных и газовых промежутков" (исполнитель);
№04-02-08038-офи "Разработка и создание лабораторного образца рентгеновского аппарата на основе миниатюрной рентгеновской трубки" (исполнитель);
№05-02-16477-а "Исследование пробоя сильно перенапряженных газовых промежутков при субнаносекундных временах нарастания тока" (руководитель);
№08-02-00982-а "Исследование динамики развития субнаносекундного импульсного электрического пробоя сильно перенапряженных газовых промежутков высокого давления" (исполнитель);
№09-08-00374-а "Исследование коммутационных характеристик нано и субнаносекундных газовых разрядников высокого давления" (руководитель);
№12-08-00282-а "Исследование перехода электронов в режим непрерывного ускорения при субнаносекундном импульсном электрическом пробое в газах высокого давления" (руководитель).
Гранты Уральского отделения РАН:
Интеграционный проект (2006-2008 гг.) фундаментальных исследований, выполняемых в УрО РАН совместно с учеными СО и ДВО РАН "Исследование импульсного электрического пробоя газовых промежутков высокого давления при больших перенапряжениях" (руководитель, задействовано 2 лаборатории: одна из ИЭФ УрО РАН и одна из ИСЭ СО РАН).
Интеграционный проект (2009-2011 гг.) фундаментальных исследований, выполняемых в УрО РАН совместно с учеными СО и ДВО РАН "Исследование механизмов инициирования импульсных и стационарных газовых разрядов" (руководитель, задействовано 4 лаборатории: 3 из ИЭФ УрО РАН и одна из ИСЭ СО РАН).
Личный вклад автора. Постановка задач исследований, проведение
экспериментов и анализ полученных результатов; разработка основных
конструктивных решений, использованных в экспериментальных установках и
лабораторных макетах малогабаритных субнаносекундных рентгеновских
аппаратов. В постановке задач по созданию экспериментальной установки для
электронно-оптической регистрации свечения, сопровождающего пробой
сильноперенапряженных газовых промежутков, принимали активное участие
члены-корреспонденты РАН В.Г. Шпак и М.И. Яландин. Для экспериментов
сотрудниками лаборатории электронных ускорителей ИЭФ УрО РАН были
предоставлены генераторы РАДАН-303, РАДАН-ЭКСПЕРТ и субнаносекундный
формирователь импульсов. Остальное нестандартное оборудование (генераторы
Аркадьева-Маркса с субнаносекундным фронтом и повышенной стабильностью
временных параметров, высоковольтные линии задержки, экспериментальные
камеры и т.д.) разрабатывалось и изготавливалось автором диссертационной
работы. В интерпретации экспериментальных результатов по электронно-
оптической регистрации свечения, сопровождающего пробой
сильноперенапряженных газовых промежутков, принимал активное участие к.ф.-
м.н. В.В. Лисенков. Соавторы, принимавшие участие в отдельных направлениях
исследований, указаны в списке основных публикаций автора по теме
диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и
выносимые на защиту, получены автором лично.
Публикации. Основные результаты работы изложены в 31 публикации, в том числе в 16 статьях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, раздела "Используемая терминология и исходные пункты для формулировки задач диссертационной работы", пяти глав и заключения. Она изложена на 180 страницах, включая 86 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 129 наименований.
Генератор поджигающих импульсов
Электронно-оптическая камера имеет рабочий участок развертки 30 мм. При этом из-за повышенных искажений не рекомендуется использовать начальный и конечный участки фоторазвертки (примерно по 10% от шкалы). На поддиапазонах развертки 0.5 нс/см и 1 нс/см максимальный измеряемый интервал tmax составляет 1.2 х 10 –9 нс и 2.5 х 10 –9 нс, соответственно. Поэтому для экспериментов по электронно-оптической фотосъемке свечения, сопровождающего субнаносекундный пробой газового промежутка, необходимо обеспечить такую точность включения генератора РАДАН-303А, чтобы его выходной импульс попал во временные “ворота” шириной 1.2-2.5 нс.
Для того чтобы обеспечить такую точность включения, нужен импульс управления, запускающий трехэлектродный электрически-управляемый разрядник с искажением поля, со следующими параметрами: 1. Амплитуда не менее 30 кВ; 2. Длительность импульса 0.5-1 нс (увеличение длительности синхроимпульса ведет к необходимости усиления электроизоляции передающих высоковольтных коаксиальных трактов и усложнению их конструкции); 3. Длительностью фронта импульса 300-400 пс; 4. Нестабильность задержки (джиттер) фронта высоковольтного импульса управления относительно низковольтного импульса, запускающего всю схему синхронизации, не более 1-2 нс.
Выполнить первые три требования не представляет особых проблем. Гораздо сложнее обеспечить четвертый из вышеперечисленных пунктов.
В диссертационной работе специально были разработаны генераторы запускающих высоковольтных наносекундных импульсов с субнаносекундным фронтом и повышенной стабильностью временных параметров. В результате удалось обеспечить джиттер фронта выходного высоковольтного импульса относительно низковольтного импульса запускающего всю схему синхронизации эксперимента на уровне 1-2 нс. Генераторы были выполнены по схеме Аркадьева-Маркса в двух модификациях.
Принципиальная электрическая схема первого генератора высоковольтных запускающих импульсов напряжения представлена на рис. 3.6а. Внешний вид генератора – на рис. 3.7. Он представляет собой восьми ступенчатый генератор Аркадьева-Маркса. Его основным отличием от схем, разработанных ранее, является использование импульсного тиратрона ТГИ1-1000/25 в качестве коммутатора первой ступени. Время запаздывания импульса тока анода по отношению к импульсу запуска для этого тиратрона составляет 0.2-0.5 мкс [49]. Оно меняется от прибора к прибору, но стабильно для конкретного тиратрона. Периодическая нестабильность зажигания при напряжении анода 15 кВ составляет менее 5 нс [49].
Генератор пусковых импульсов (г.п.и.) тиратрона собран на быстром тиристоре по схеме, представленной на рис. 3.6в. Основным требованием, предъявляемым к г.п.и., является стабильность задержки и фронта импульса, которая должна быть существенно лучше стабильности импульсов запускаемого генератора. Кроме того, г.п.и. должен быть защищен от высоковольтного импульса, возникающего на сетке тиратрона в момент его пробоя [50]. Амплитуда сеточного выброса может достигать половины анодного напряжения тиратрона, а Запуск 100
Принципиальные схемы: а и б - генератора запускающих импульсов напряжения. Л1 - тиратрон ТГИ1-1000/25; L - 100 витков провода ПЭТВ-2 толщиной 1 мм намотанных на пластмассовую трубу диаметром 50 мм; Р9 и Р10 -обостритель импульсов [20]. Накопительные конденсаторы набраны из конденсаторов КВИ-3-3300х10кВ. в - генератора поджигающих импульсов. Т1-КТ829А; Д1-КД203Д; Д2-КУ221Б; трансформатор Тр намотан на ферритовом кольце М3000НМ типоразмера 40х25х11, первичная обмотка содержит 120 витков, а вторичная - 34 витка. Трансформатор намотан проводом ПЭТВ-2 толщиной 0.5 мм. Рис. 3.7. Фотография экспериментального комплекса. 1 – ГЗИ; 2 – субнаносекундный формирователь импульсов; 3 – передающая 50-Омная маслонаполненная линия; 4 – высоковольтная ЛЗ; 5 – ГИ РАДАН 303А. длительность - нескольких десятков наносекунд. Работает схема следующим образом: импульс запуска на сетке тиратрона формируется при разряде накопительного конденсатора С1 через коммутирующий тиристор Д2. Коммутирующий тиристор Д2 запускается от внешнего генератора импульсов Г5-54 с помощью ключа на транзисторе Т1. Диод Д1 защищает тиристор Д2 от сеточного выброса напряжения.
Для исследования стабильности работы г.п.и. схема умножения напряжения (все детали расположенные на принципиальной схеме рис. 3.6а правее конденсатора С1) была отключена от тиратрона, а к его аноду подключен емкостной делитель. Была установлена емкость С1 номиналом 470 пФ. Эта
Конструкция блока разрядников. 1 - планка-держатель; 2 - изолятор; 3-поджигающий электрод; 4 - керамическая трубка; 5 - контакт; 6, 7,10-12 - детали электродов; 8,9 - втулки; 13 - шайба; 14 - винт М5. Детали 3,4 и 6 зафиксированы эпоксидным клеем. Подвижный электрод 10 позволяет регулировать зазор между электродами. величина близка к величине емкости генератора импульсов напряжения в ударе. Импульс регистрировался осциллографом И2-7 (полоса пропускания ограничена линией задержки на уровне 1 ГГц). Осциллограф запускался сигналом с выхода генератора импульсов Г5-54, а г.п.и. - с синхровыхода этого же генератора. Нестабильность задержки фронта высоковольтного импульса не превышала в этом случае 1-2 нс.
Следующие ступени умножения коммутируются тригатронными искровыми разрядниками Р1-Р7 (рис. 3.6, 3.8). Разрядники при работе подсвечивают друг друга. Расстояние между соседними разрядниками 12 мм. Зазор между электродами можно регулировать вращением одного из них (позиция 10, рис. 3.8). Остальные детали генератора смонтированы на двух параллельно расположенных диэлектрических пластинах. Вся конструкция помещена в цилиндрический стальной корпус, заполненный сухим азотом до давления 7 атм. Для улучшения стабильности срабатывания разрядников применены форсирующие цепи (резистор 3 Ом и конденсатор 470 пФ).
На выходе генератора включен субнаносекундный обостритель импульсов [37], состоящий из обостряющего Р9 и срезающего Р10 разрядников с подвижными электродами, установленных в 50-омной коаксиальной линии, заполненной азотом до давления 40 атм. В результате выходной импульс можно регулировать по амплитуде и длительности, а также менять скорость нарастания напряжения на фронте импульса (6х1013-7х1014 В/с).
Для питания генератора был применен источник высокого напряжения ВС-20-10 или самодельный стабилизированный источник высокого напряжения [51].
При зарядном напряжении 15 кВ был получен импульс на выходе обострителя на нагрузке 50 Ом с параметрами: амплитуда 50 кВ; длительность фронта 0.3 нс (по уровням 0.1-0.9 от максимума); длительность на полувысоте 0.5 нс; нестабильность задержки фронта не более 10 нс (более 90% импульсов имеют нестабильность порядка 1-2 нс). Ограничение амплитуды импульса по сравнению с расчетной объясняется потерями энергии в форсирующих цепях.
Моделирование процессов в газе при давлении от 4 до 15 атм на предпробойной стадии
Относительно неяркое свечение, появляющееся первым (фаза 1 на рис. 4.5а), наиболее вероятно возникает за счет ионизации газа распространяющимися в нем электронными лавинами. Следует отметить, что свечение, сопровождающее первую фазу формирования пробоя, может начинаться как в какой-то локальной точке газового зазора (рис. 4.5a), так и в значительной части объема газоразрядного промежутка (рис. 4.5в). В частности, на фотографии (рис. 4.5a) видно, что первоначально свечение возникло в точке А, отстоящей от катода на расстоянии, составляющем (30-35)% от общей длины межэлектродного зазора. Это говорит о том, что инициирование пробоя происходит одним или несколькими свободными электронами, находящимися в промежутке. И в ряде случаев мы наблюдаем наложение свечения от нескольких волн ионизации вызванных электронными лавинами, возникшими в различных точках газового промежутка. Электронные лавины искажают электрическое поле в промежутке и вызывают образование вторичных электронов в зонах усиленного поля. В результате в сторону анода и катода начинают распространяться волны ионизации (катодный {cs} и анодные {as} стримеры) со скоростью около 5х108 см/с (все расчеты скоростей распространения волн ионизации приведены для рис. 4.5а). Катодный и анодный стримеры достигают поверхности электродов за время в 200-400 пс. После этого газовый промежуток перекрывается слабо проводящим плазменным каналом (sc): яркая перемычка возникает между катодом и анодом (фаза 2 рис. 4.5а). Трудно корректно оценить скорость распространения свечения в плазменном канале, поскольку он имеет время жизни 100-150 пс, а ионизация может идти по всему объему газового зазора одновременно. Наиболее вероятно, что Vsс превышает 2х109 см/с. Образование слабо проводящего плазменного канала вызывает распространение двух новых волн ионизации с анода (ai1 и ai2). Волна ai1 (фаза 3a) распространяется со скоростью Vai1 = 7108 см/с, а волна ai2 (фаза 3б) со скоростью Vai2 = 2108 см/с. Одновременно с волной ai2, ионизационная волна ci (фаза 3б) начинает распространяться со скоростью Vci = 2108 см/с со стороны катода. Эта волна возникает за счет эмиссионных и, вероятно, взрывоэмиссионных процессов на поверхности катода. Численные расчеты, проведенные в следующем разделе, подтверждают это предположение. По всей вероятности, волны ai2 и ci и обеспечивают основное нарастание проводимости искрового канала. При распространении этих волн происходит усиление электрического поля в центре промежутка в слабоионизованной зоне между их границами. В определенный момент времени (конец фазы 3б) происходит окончательный пробой этой зоны (ситуация аналогична пробою электрического конденсатора). В нашем эксперименте конец фазы 3б соответствует току в газовом промежутке 1.4 кА и выше.
Эксперименты были повторены в диапазоне давлений от 4 до 15 атм. При этом на газовый диод подавались импульсы напряжения с различной длительностью фронта (от 0.5 до 1 нс по уровням 0.1 – 0.9 от амплитуды). Максимальная скорость нарастания напряжения на фронте равнялась 2х1014 В/с. Максимальная амплитуда импульса приложенного к газовому зазору равнялась 115 кВ. В этом случае напряженность электрического поля (расчет также проводился по амплитуде импульса) у центра наиболее выступающей части катода менялась в следующих пределах: E1=(285–600) кВ/см; а у кромки катода – E2=(0.6–1.1) MВ/см. В таких условиях общее время формирования пробоя сокращалось до 500 пс, пропорционально уменьшению длительности фронта, тем не менее, общая картина развития пробоя при этом качественно не менялась в сравнении с вышеописанными экспериментами.
Фотографии свечения (рис. 4.4 и 4.5), сопровождающие начальную стадию формирования пробоя, стали основой численной модели физических процессов, имеющих место в газовом зазоре. За физическую основу модели [60] была взята система, состоящая из балансных уравнений для концентраций электронов (ne), ионов (ni), возбужденных молекул (n ) и уравнения Пуассона [27]: потенциал, Е - напряженность электрического поля, ve - скорость дрейфа электронов, ЦІ - подвижность ионов, Vi и ve - частоты ионизации и возбуждения, УІ - коэффициент вторичной ион-электронной эмиссии, yph - коэффициент фотоэмиссии, je - плотность электронного тока, r - эффективное время жизни возбужденных состояний, e - заряд электрона, 0 - диэлектрическая постоянная вакуума. Константы процессов с участием электронов находились с помощью функции распределения электронов по энергиям, полученной в результате моделирования движения электрона методом Монте-Карло.
Моделирование показало, что характерное время установления функции распределения электронов по энергии лежит в диапазоне 10-11-10-10 с, характерное расстояние для этого процесса - 10-3-10-2 см. Расчеты проводились для условий близких к экспериментальным, то есть для азота при давлении 4 атм и длине межэлектродного промежутка d=3 мм. Напряжение на электродах аппроксимировалось функцией: длительность фронта нарастания напряжения. U0=140 кВ -амплитуда импульса напряжения. Для анализа взято U0 = 140 кВ, поскольку в предпробойной стадии электрическое сопротивление газового промежутка велико, и он является нагрузкой холостого хода для передающей коаксиальной линии. В результате в сторону импульсного генератора начнет распространяться отраженный импульс напряжения, и будет иметь место режим удвоения напряжения на разрядном промежутке.
Было просчитано несколько вариантов задачи с различными начальными условиями. Ниже приведено описание решения этих задач, расположенное в порядке усложнения начальных условий и с учетом влияния все большего количества различных процессов, сопровождающих пробой газа, на динамику его развития. В результате была получена эмпирическая картина свечения, сопровождающего пробой газа, очень хорошо совпадающая с экспериментально наблюдаемыми развертками свечения пробоя
Результаты экспериментов и их обсуждение
Было обнаружено, что газовые промежутки шириной 2.5 мм и 1.65 мм стабильно пробиваются импульсами напряжения в диапазоне давлений 1-23 атм и 1-40 атм, соответственно. Через боковые окна наблюдается искра. При этом на люминофоре во всем диапазоне указанных давлений наблюдается яркое светящееся пятно, конфигурация которого слегка изменяется от импульса к импульсу (рис. 5.6). Напряжение пробоя газового промежутка (с учетом удвоения напряжения на промежутке в предпробойной стадии) при максимальных давлениях составляло 183-197 кВ и 176-191 кВ, соответственно. Рассчитанная по напряжению пробоя (без учета перераспределения поля в промежутке при распространении в нем волн ионизации) средняя напряженность электрического поля была 733-787 кВ/см и 1069-1161 кВ/см, соответственно. Как было показано ранее (глава 2, [110-112]) на стадии запаздывания пробоя распространяются волны ионизации, приводящие к перераспределению электрического поля в разрядном промежутке. В результате вблизи катода формируется область
Фотографии свечения люминофора под действием пучка “быстрых электронов”. Зазор 1.65 мм. Давление азота 40 атм. (а) и 18 атм. (б). усиленного поля с напряженностью в 7-15 раз превышающей среднюю напряженность электрического поля в промежутке. Т.е. в нашем случае локальная напряженность электрического поля может достигать значения 1.7х106 В/мм.
Известно, что рентгеновские люминофоры хорошо светятся не только под воздействием рентгеновского излучения, но также и под воздействием электронного пучка. Для выяснения физических явлений, вызывающих свечение, были проведены дополнительные эксперименты. За сеткой-анодом был поставлен фильтр из алюминиевой фольги толщиной 15 мкм. Фольга такой толщины полностью поглощает пучки электронов с энергиями до 48 кэВ. Ослабление дозы рентгеновского излучения с энергией фотонов 10 кэВ и 50 кэВ такой фольгой составляет 10% и 0.14%, соответственно. То есть, можно сказать, что фольга практически прозрачна для рентгеновского излучения. Для регистрации свечения использовался люминофор (слой кристаллофосфора ZnS-CdS:Ag толщиной 30 мкм нанесенный на белую бумагу толщиной 270 мкм) и тот же по химическому составу люминофор, но уже без бумажной основы. Бумажная основа люминофора является фильтром для электронного пучка. При этом нет точных справочных Рис. 5.7. Фотографии свечения люминофора под действием пучка “быстрых электронов”. Давление азота 18 атм. Зазор 1.65 мм (а). Давление азота 18 атм. Зазор 1.65 мм. Фильтр (алюминиевая фольга толщиной 15 мкм) между анодом и люминесцентным экраном (б). данных по пробегам электронов в бумаге. Поэтому в части экспериментов и был использован люминофор без бумажной основы. Было показано, что при пробое газового зазора шириной 1.65 мм, также наблюдается свечение люминофора, но гораздо меньшей интенсивности, чем в отсутствии фильтра (рис. 5.7). При этом свечение наблюдается уже при меньших давлениях азота. При использовании системы фильтров (алюминиевая фольга толщиной 15 мкм и бумага толщиной 270 мкм) свечение наблюдается в диапазоне давлений 1-18 атм. При этом при давлениях 16-18 атм свечение наблюдается не при каждом пробое газового промежутка, а лишь в части экспериментов. При использовании только алюминиевого фильтра свечение наблюдается уже в диапазоне давлений 1-30 атм. При этом при давлениях 25-30 атм свечение также наблюдается не при каждом пробое газового промежутка. Наблюдение за разрядным промежутком через боковые окна показывает, что при этом во всем диапазоне давлений 1-40 атм промежуток стабильно пробивается каждым приложенным к нему импульсом напряжения: через боковые окна наблюдается искра. Поскольку использованные фильтры практически прозрачны для рентгеновского излучения, а яркость свечения люминофора сильно падает, можно сделать вывод, что свечение возникает в основном под действием пучка “быстрых” электронов. При этом в спектре энергий пучка “быстрых” электронов есть большая доля электронов с энергиями ниже 48 кэВ. Тот факт, что при использовании фильтров свечение не наблюдается в диапазоне давлений 30-40 атм объясняется тем, что в более плотных газах условия для перехода электронов в режим непрерывного ускорения реализуются при больших напряженностях электрического поля в промежутке или на верхней части фронта приложенного импульса напряжения. Электроны просто не успевают набрать энергию, необходимую для преодоления фильтра (48 кэВ), и инициировать свечение люминофора.
Вторым фактом, подтверждающим, что в эксперименте регистрируется именно пучок “быстрых” электронов является регистрация тыльного откола материала у фильтров из фольги. Был проведен следующий эксперимент. Между сеткой-анодом и люминофором нанесенным на бумажную основу помещался датчик: государственный стандартный образец поглощенной дозы фотонного и электронного излучений (сополимер с феназиновым красителем) СО ПД(Ф)Р 5/50. Толщина пленки сополимера 0.11 мм. На разрядный промежуток (азот, 10 атм, ширина 1.65 мм) подавалось 500 импульсов высокого напряжения. Напряжение пробоя газового промежутка (с учетом удвоения напряжения на промежутке в предпробойной стадии) в этом случае составляло 54-78 кВ. Было зафиксировано изменение оптической плотности датчика в виде пятна диаметром около 4 мм (рис. 5.8). График распределения поглощенной дозы ионизирующего излучения по пятну приведен на рис. 5.9. Максимальная поглощенная доза ионизирующего излучения в центре пятна составляла 38.4 Гр за импульс. Затем между датчиком и анодом-сеткой помещался фильтр из алюминиевой фольги толщиной 9 мкм (фольга такой толщины поглощает пучки электронов с энергиями до 38 кэВ). На разрядный промежуток было опять подано 500 импульсов высокого напряжения.
Измерение пороговых напряжений коммутации
Как правило, такой газовый коммутатор работал в достаточно узком диапазоне давлений, коммутируемых напряжений, длительностей импульса и скоростей роста и спада напряжения на промежутке. Т.е. с его помощью можно было получить лишь ограниченный набор данных. Т.е. можно сказать, что была получена какая-то конкретная точка на графике, содержащем большой набор данных. Потом другие экспериментаторы конструировали новый генератор наносекундных импульсов с другими параметрами и на его основе получали новый набор данных по пороговым напряжениям коммутации, временам формирования пробоя и коммутации. Или следующую точку на графике. При этом использовалась измерительная аппаратура разных типов, разные измерительные кабели, по-разному откалиброванные делители напряжения и тока. В результате, если при использовании двух разных генераторов происходило перекрытие диапазона работы газовых разрядников по давлению газа и параметрам импульса напряжения, то полученные разными исследователями данные часто не совпадали.
В настоящей диссертационной работе выбрана другая идеология накопления экспериментального материала. Все эксперименты проводились с помощью одного генератора субнаносекундных импульсов высокого напряжения. Для экспериментов использовался коаксиальный газовый диод высокого давления с подвижным анодом. Для регистрации напряжения на газовом зазоре и тока пробоя использовались один и тот же осциллограф, набор измерительных коаксиальных кабелей и делители напряжения. На разрядный газовый промежуток подавался субнаносекундный импульс высокого напряжения с фиксированными в течение всего эксперимента параметрами. В эксперименте менялись зазор катод-анод (с шагом в 0.1 – 0.2 мм) и давление газа. Эксперимент начинался при минимальном зазоре в 0.25 мм и увеличивался при фиксированном давлении газа с указанным выше шагом до тех пор, пока газовый промежуток не переставал пробиваться. Потом этот эксперимент повторялся при другом давлении газа. Эксперименты проводились при атмосферном давлении, 5 атм, 10 атм, 20 атм, 30 атм и 40 атм. В результате, в эксперименте был получен набор данных по пороговым напряжениям, при которых начинают регистрироваться существенные токи в газовом промежутке при воздействии субнаносекундных импульсов напряжения; временам формирования пробоя и временам коммутации. Эти данные легко сравнивать и обобщать, поскольку использовались один и тот же генератор импульсов, электроды и газовый зазор одной конфигурации, и одна схема регистрации. Такого масштабного эксперимента не проводилось ни в субнаносекундном диапазоне длительностей, ни в наносекундном диапазоне.
Следует отметить, что еще несколько лет назад постановка подобных задач в экспериментальном плане была практически невозможной, поскольку возможности цифровых осциллографов по полосе пропускания были ограничены.
При осциллографической регистрации субнаносекундных импульсов действительное поведение напряжения на промежутке и форма тока могут быть искажены регистрирующей схемой. Для предотвращения таких искажений необходимо минимизировать влияние паразитных емкостей и индуктивностей электрической цепи. Наиболее просто задача решается при встраивании исследуемого газоразрядного промежутка в разрыв коаксиальной линии, либо в конец коаксиальной линии. Такие конструкции и были использованы в экспериментах.
Эксперименты проводились на установке (рис. 6.1, 6.2), созданной на базе малогабаритного генератора импульсов (ГИ) напряжения РАДАН-303А [35]. На выходе генератора установлен субнаносекундный формирователь импульсов с обостряющим и срезающим азотными разрядниками высокого давления [37], позволяющий формировать субнаносекундный импульс напряжения с плавно регулируемыми параметрами. Нагрузкой генератора служат 50-омная передающая коаксиальная линия с масляным заполнением и испытательная камера (50-омный коаксиальный газовый диод высокого давления) (рис. 6.2). В качестве газового диода была взята та же экспериментальная камера, что уже использовалась в экспериментах по электронно-оптической хронографии свечения. Камера позволяет проводить эксперименты по пробою газа в диапазоне давлений от атмосферного до 100 атм. Дополнительный обостряющий зазор был убран. Для измерения импульсов напряжения использовался метод рефлектометрии. Импульсное напряжение на выходе ГИ и отраженное от тестируемого газового зазора регистрировалось с помощью широкополосных емкостных делителей, встроенных в передающий коаксиальный тракт, соединяющий ГИ и экспериментальную камеру. Делители были выполнены в виде полосок фольгированного стеклотекстолита толщиной 100 мкм, наклеенных на внутреннюю поверхность корпуса камеры. Для подключения коаксиальных кабелей в делителях использован соединитель SMA типа
