Введение к работе
Актуальность темы. Явление пробоя газа в сильных электрических полях известно уже более 200 лет. На протяжении этого периода оно интенсивно исследовалось, и к настоящему времени нашло свое применение в различных технических приложениях . Однако, несмотря на огромный прогресс в исследовании данного явления, далеко не все процессы, протекающие при пробое газа в электрических полях, еще достаточно хорошо изучены. Это относится к импульсному пробою газа при давлениях близких к атмосферному, когда на стадии пробоя рождаются убегающие электроны (УЭ), появление которых сопровождается формированием импульса рентгеновского излучения.
Лабораторные исследования УЭ проводятся в газовых разрядах высокого давления как при субнаносекундных временах нарастания импульса напряжения, так и при микросекундных временах нарастания . В первом случае используются короткие разрядные промежутки (от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров) при больших перенапряжениях, то есть при средней напряженности поля в промежутке Еау» Ebr, где ЕЪг — напряженность электрического поля при статическом пробое. Во втором случае используются разрядные промежутки (от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров) при средней напряженности поля в промежутке Еау < ЕЪг. В этом случае для инициирования разряда выбирается геометрия электродов, обеспечивающая перенапряжение в приэлектродной области, а сам разряд, как правило, носит стримерный характер.
Физическое описание процессов, протекающих при формировании пучка убегающих электронов в газовых разрядах, основывается либо на решении кинетических уравнений либо на решении уравнений движения отдельных частиц. В моделях, описывающих динамику УЭ, определяющую роль играют как взаимодействие электронов с электрическими полями (внешним полем и полем объемного заряда), так их столкновения с атомами газа. В итоге, уравнения, описывающие эволюцию пучка УЭ, становятся нелинейными и их аналитическое решение возможно лишь в тривиальных случаях. Поэтому численное моделирование стало неотъемлемой частью теоретических методов исследования убегающих электронов в газовых разрядах. Кроме того, экспериментальные методы исследования сталкиваются с большими трудностями, связанными в первую очередь с малыми временными и пространственными масштабами задачи. В подобной ситуации роль численного моделирования еще более возрастает и становится чрезвычайно высокой.
В связи с вышеизложенным тематика диссертационной работы, направленная на создание численных методик, позволяющих описывать формирование пучка убегающих электронов в газовых разрядах высокого давления и генерацию рентгеновского излучения в этих разрядах, представляется актуальной.
Проблемы, которые необходимо было решить при моделировании формирования пучка убегающих электронов в газовых разрядах высокого давления, определили цели диссертационной работы:
Месяц Г. А. Импульсная энергетика и электроника. — Москва : Наука, 2004. 2 Бабич Л.П., Лойко Т.В., Цукерман ВА. // УФН. 1990. Т. 60. № 7. С. 49-82.
-
Разработка и апробация численных методик, позволяющих описывать динамику быстрых электронов в газовых разрядах высокого давления.
-
Разработка численных методик, позволяющих описывать тормозное излучение электронов при их распространении в газовой среде.
3. Анализ результатов экспериментов по газовым разрядам высокого давления
как при малых перенапряжениях на межэлектродном зазоре, так и при больших
перенапряжениях.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
-
Разработана численная модель, позволяющая описывать динамику быстрых электронов, инжектированных с головки анодонаправленного стримера. Показано, что число электронов, которые могут быть инжектированы с поверхности стримера, ограничивается числом электронов в дебаевском слое.
-
Предложена новая методика расчета лавин убегающих электронов. Для воздуха и гелия рассчитаны зависимости длины экспоненциального нарастания лавины УЭ от напряженности электрического поля и давления.
-
Показано, что при равных значениях напряженности электрического поля длина и время экспоненциального нарастания лавины убегающих электронов уменьшаются при уменьшении давления и атомного номера газа, в котором происходит разряд.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что:
-
Создана компьютерная программа «STRIMER», позволяющая рассчитать динамику и тормозное излучение электрона, инжектированного с головки анодонаправленного стримера.
-
Разработана численная модель и создана компьютерная программа «ЕСТО», позволяющая описывать эволюцию пучка убегающих электронов в длинных газовых разрядах. Модель основана на численном решении Зх-мерных уравнений движения электронов. В ней учитываются следующие процессы: ускорение электрона внешним полем; торможение электрона за счет неупругих столкновений, взаимодействие электрона с полем объемного заряда; рассеяние электрона при упругих взаимодействиях с молекулами газа.
-
Разработана численная модель, описывающая появление лавин убегающих электронов и основанная на численном решении 2х-мерных уравнений движения. Модель реализована в компьютерных программах «LAVINA» и «SHORT SPARK».
Личный вклад автора. В представленных в диссертационной работе результатах, автором внесен определяющий вклад в постановку задач исследований, в разработку и создание комплекса компьютерных программ, позволяющих моделировать процессы с участием УЭ. В постановке задач и обсуждении результатов принимали активное участие С.А. Баренгольц, С.А. Чайковский и А.В. Огинов. Соавторы, принимавшие участие в отдельных направлениях исследований, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Разработаны модели и создан комплекс компьютерных программ, позволяющих описывать динамику быстрых электронов в газовых разрядах высокого давления.
-
В разрядах атмосферного давления импульс рентгеновского излучения связан с переходом электронов в режим убегания вблизи головки анодонаправленного стримера. Наличие максимума в спектре регистрируемого за пределами разрядного промежутка тормозного рентгеновского излучения вызвано поглощением фотонов атомами газа, в котором происходит разряд.
-
Электроны, инжектированные с головки анодонаправленного стримера, но не перешедшие в режим непрерывного ускорения, образуют вблизи головки стримера облако остаточного объемного заряда. Облако объемного разряда экранирует стример, вследствие чего пучок убегающих электронов не возобновляется.
-
В газовых разрядах атмосферного давления с большим перенапряжением на межэлектродном зазоре при формировании пучка убегающих электронов значительную роль играют лавинные процессы. При этом их роль возрастает в случае более высоких перенапряжений, так что число электронов лавины может достигать 50% от общего числа убегающих электронов, достигших анода.
Достоверность и обоснованность результатов основных положений, научных выводов диссертационной работы подтверждаются согласием результатов моделирования и экспериментальных данных, использованием фундаментальных принципов физики газового разряда, общепризнанных теоретических законов, достаточной обоснованности сделанных допущений, а также систематическим характером исследований.
Апробация работы и публикации. Материалы работы докладывались на научных семинарах Физического института РАН им. П.Н. Лебедева (г. Москва), на ежегодных конференциях по физике плазмы: 37-я Международная конференция по физике плазмы и УТС. Звенигород, Россия, 2010; 38-я Международная конференция по физике плазмы и УТС. Звенигород, Россия, 2011; 39-я Международная конференция по физике плазмы и УТС. Звенигород, Россия, 2012. Симпозиумах по сильноточной электронике: 16і International Symposium of High Current Electronics, Томск, Россия, 2010; X Международная конференция «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул» - AMPL, Томск, Россия, 2011; 14-е Харитоновские Тематические научные чтения. Мощная импульсная электрофизика. Саров, Россия, 2012; 17і International Symposium on High Current Electronics. Томск, Россия, 2012; 31st International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG), Гранада, Испания, 2013. Результаты исследований изложены в 6 статьях и 8 докладах международных и российских симпозиумов и конференций. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем 122 страниц машинописного текста, 26 рисунков, 3 таблицы и 102 наименований в списке цитируемой литературы.
