Содержание к диссертации
Введение
Глава I Самостоятельные импульсные объемные разряды в газах высокого давления 16
1.1. Формирование однородных объемных разрядов 16
1.2. Кинетические процессы и спектральное излучение импульсных объемных разрядов
1.3. Однородность и устойчивость импульсных объемных 30
разрядов
Глава II Экспериментальная установка и методики исследования разряда 41
2.1. Генератор высоковольтных импульсов напряжения 42
2.2. Регистрация электрических и спектральных характеристик разряда
2.3. Регистрация пространственно - временной картины свечения промежутка 48
2.4. Моделирование импульсного разряда в гелии атмосферного давления 50
2.4.1. Кинетическая модель плазмы импульсного разряда в гелии 50
2.4.2. Численная модель формирования катодного слоя 57
2.4.3. Моделирование плазмы объемного разряда в парогазовой смеси гелия 62
Глава III Результаты исследования формирования и развития объемного импульсного разряда в гелии 65
3.1. Анализ пространственно-временных картин развития разряда 65
3.2. Формирования однородного плазменного столба 71
3.3. Механизм формирования катодного слоя 79
3.4. Характерные параметры, энерговклад и устойчивость прикатодной области объемного разряда
3.5. Образование и функционирование катодного пятна, и расчет параметров взрывоэмиссионных центров
Глава IV Электрокинетические харакеристики объемного разряда 100
4.1. Электротехнические характеристики объемного разряда 100
4.2. Кинетика формирования заряженных и возбужденных частиц в плазме 109
4.3. Кинетика релаксации плазмы объемного разряда в гелии 120
Глава V. Приэлектродные процессы в парогазовой смеси гелия 126
5.1. Спектр излучения паров металла и кинетика ее формирования
5.2. Динамика формирования и развития неустойчивости ОР 139
5.3. Особенности прорастания искрового канала 142
5.4. Влияние паров материала вещества электродов на однородность, устойчивость и кинетику процессов в объемном разряде 149
Заключение 153
Литература 155
- Кинетические процессы и спектральное излучение импульсных объемных разрядов
- Регистрация электрических и спектральных характеристик разряда
- Формирования однородного плазменного столба
- Кинетика формирования заряженных и возбужденных частиц в плазме
Введение к работе
Процессы, протекающие в газах при наличии электрических полей, давно привлекают внимание исследователей.
В 1965 году Г.А. Месяц, исследовав коммутацию перенапряженных газовых промежутков высокого давления с предварительным воздействием на них УФ - излучением внешнего источника, обнаружил, что в течении некоторого времени вплоть до образования канала разряд занимает весь промежуток, и плотность тока в нем достаточно высока [1]. В дальнейшем эта фаза разряда была выделена в безыскровом виде и названа объемным разрядом.
Высокая интенсивность исследований объемного разряда на сегодняшний день обусловлена тем, что неравновесная низкотемпературная плазма объемного разряда (ОР) широко используется в различных технических устройствах, в частности в газовых лазерах и источниками оптического излучения. Кроме того, объемный разряд начинает находить все более широкое применение для создания плазмохимических реакторов, а также для инициирования и поддержания различных процессов на поверхности твердых тел.
Прогресс в указанных областях в существенной степени зависит от знания физических свойств объемного разряда.
В области создания импульсных лазеров, возбуждаемых самостоятельным объемным разрядом с УФ предыонизацией, важнейшей задачей является формирование и поддержание устойчивого горения ОР, не переходящего в искровой в широком диапазоне длительностей горения и плотностей тока [2]. Несмотря на то, что исследования в этой области ведутся несколько десятилетий, проблема формирования и поддержания устойчивости разряда по-прежнему является основным препятствием при разработке новых высокоэффективных устройств сильноточной электроники. В связи с этим исследование механизма формирования ОР и возможных причин, приводящих к развитию неустойчивости как на стадии формирования, так и на поздних стадиях коммутации разряда, является весьма актуальным и представляет как научный так и практический интерес.
С другой стороны, широкое развитие получили лазеры, в которых рабочей средой являются ионизованные пары металлов [3,4]. 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 [3,4] для ввода паров металла в зону разряда используются различные специальные методы, связанные с дополнительными энергозатратами и сложными техническими конструкциями.
В этой связи следует отметить, что в разряде в процессе распыления материала вещества неизбежно возникают пары металлов, из которого изготовлены электроды. Такие примеси (вследствии своего низкого потенциала ионизации) образуют с буферным газом Пенинговскую смесь и могут существенно изменить динамику развития разряда и кинетику процессов как в приэлектродных областях, так и в объеме промежутка. На последнее обстоятельство практически не обращено должное внимание в научной литературе.
Поскольку интенсивность излучения линии непосредственно определяется концентрацией возбужденных атомов на конкретном возбужденном уровне, то представляет также значительный интерес экспериментальные и теоретические исследования, посвященные изучению механизмов заселения возбужденных состояний атомов и определению концентрации частиц различных сортов как для диагностики плазмы, так и при создании определенных теоретических моделей.
Выбор объекта исследования обусловлен тем, что гелий в активных средах газовых лазеров широко используется в качестве буферного газа.
Таким образом, обзор работ по импульсным объемным разрядам позволил определить предмет и цель исследования.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и численное исследование электрокинетических и оптических характеристик ОР в Не атмосферного давления, а также спектроскопическое исследование приэлектродной плазмы.
В работе были поставлены следующие цели исследования.
Экспериментальное и теоретическое исследование механизмов формирования самостоятельного объемного разряда и особенностей прорастания искрового канала в гелии в широком диапазоне изменения начальных условий как с учетом процессов распыления материала электродов.
Изучение роли различных элементарных процессов в общей кинетике образования заряженных и возбужденных частиц в плазме объемного разряда в гелии атмосферного давления и исследование спектра излучения приэлектродной плазмы и кинетика ее формирования в режиме распыления материала электродов.
Анализ процессов, протекающих на электродах и в прикатодных областях, и выяснение их роли в поддержании и развитии неустойчивостей объемного разряда.
Для решения поставленной задачи был использован комплексный подход к проведению измерений, включающей физические эксперименты и анализ их результатов на основе различных экспериментальных методов: электрических, спектральных и оптических (пространственно-временных) с высоким временным разрешением (~10нс). Для исследования кинетических характеристик разряда было проведено численное моделирование разряда. Достоверность результатов основан на измерениях, выполненных с применением современных средств диагностики быстропротекающих процессов, а также согласием экспериментальных результатов с результатами численного моделирования разряда и с имеющимися в литературе данными других авторов.
Научная новизна работы состоит в том, что в диссертационной работе впервые:
Детально исследована пространственно-временная динамика и механизм формирования и развития объемного наносекундного разряда в гелии при высоких давлениях в диапазоне изменения пробойных напряжений от статического пробойного до сотни процентов перенапряжений. Показано, что формирование объемного разряда в гелии с предыонизацией происходит в процессе движения одной волны ионизации, и основным процессом, обеспечивающим ток проводимости с катода на стадии формирования разряда, является фотоэмиссия.
Разработаны и реализованы физико-математические модели, позволяющие исследовать кинетику формирования и распада плазмы объемного разряда в гелии высокого давления с учетом распыления материала электродов.
Впервые детально исследован спектральный состав излучения приэлектродной плазмы объемного разряда в гелии, формируемый в процессе распыления материала вещества электродов, и изучена кинетика его формирования.
Научная и практическая ценность работы в основном определяется актуальностью темы и научной новизной проведенных исследований. Результаты приведенных в диссертации исследований, с одной стороны, должны способствовать дальнейшему развитию физических представлений об импульсных разрядах высокого давления, с другой стороны, полученные в работе результаты могут быть использованы для оптимизации работы газовых лазеров и газоразрядных источников света.
Аппробация результатов. Результаты, содержащие в настоящей диссертационной работе, докладывались на VII, VIII и IX - Всероссийских конференциях студентов - физиков и молодых ученых (Санкт Петербург, 2001; Екатеринбург, 2002; Красноярск 2003); на VIII и X Международной конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам (Москва, МГУ - 2001, 2003); на II и III Всероссийских конференциях по физической электронике (Махачкала, ДГУ 2001, 2003); на II Международном конгрессе студентов, молодых ученых и специалистов (Москва, МГТУ, 2002); на I и II Международных конференциях по фазовым переходам и нелинейным явлениям в конденсированных средах (Махачкала, ИФРАН, 2000, 2002); на региональной конференции «Компьютерные технологии в науке технике и образовании» (Махачкала, ДГУ, 2000); на XXX Звенигородской конф. по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2003); на VI Международной конференции «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул» (Томск, 2003); а также на научных семинарах ДГУ, КГТУ, ИВТ РАН. Высокий научный уровень результатов был отмечен дипломами лауреата различных конференций.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 24 научных работах. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения; содержит 167 страниц текста, включая 37 рисунков и 3 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 127 наименований.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы основные задачи и цели исследования. Приводится краткое содержание диссертации.
В первой главе приводится краткий обзор экспериментальных и теоретических работ, описывающих формирование импульсных объемных разрядов в газах высокого давления. Особое внимание уделяется работам посвященным изучению по кинетике и спектроскопии. Приведены также модели контракции импульсных разрядов.
Цель обзора - изложить современные представления о состоянии вопроса, показать достигнутую степень изученности процессов в импульсных разрядах атмосферного давления и определить задачи исследования.
Во второй главе диссертации дается описание экспериментальной установки и методов измерений параметров плазмы импульсного разряда в гелии атмосферного давления. Также приведены расчетные модели и алгоритмы их программной реализации, которые позволяют исследовать физические механизмы формирования катодного слоя ОР, изучить роль различных элементарных процессов в общей кинетике развития разряда и кинетику заряженных и возбужденных частиц в плазме.
Диагностический стенд включает в себя вакуумную систему, спектрограф, монохроматор, генератор импульсов напряжения (амплитудой до 30 кВ и фронтом нарастания ~10 не), фотоумножители, разрядную камеру с кварцевыми окнами, скоростные и высокоскоростные осциллографы, систему синхронизации и предыонизации (-10 -10 см").
Напряжение и ток разряда измерялись с помощью омического делителя и малоиндуктивного шунта соответственно.
Начальная концентрация электронов, создаваемая внешним ионизатором, в который вкладывалась энергия ~ 0,3-0,4 Дж, оценивалась по измеренному току в разрядной цепи при постоянном напряжении на промежутке (100-300В). Для улучшения отношения сигнал/шум и согласования сигнала с передающим кабелем применялся эмитерный повторитель на высокочастотном транзисторе. По известному сечению разряда (Д=4 см) и измеренному току определялась средняя плотность тока и концентрация электронов. Скорость распространения разряда и пространственно-временная структура его развития регистрировались с помощью фотоэлектронного регистратора ФЭР2-1.
Здесь же приводится описание фотоэлектрического метода записи спектра излучения разряда с временным разрешением ~10нс. Обосновываются основные методики измерений и анализируются их погрешности.
В предлагаемой модели формирования катодного слоя решается система уравнений, состоящая из уравнений баланса для концентрации электронов, ионов и уравнения Пуассона, совместно с уравнением Кирхгофа для электрической цепи. Подробно описан алгоритм для программной реализации модели. При численном решении полученной системы была использована разностная схема.
Для выявления роли элементарных процессов в общей кинетике формирования импульсного объемного разряда в гелии решается система дифференциальных уравнений кинетики для следующих компонент плазмы: атомов в основном и возбужденных состояниях с главными квантовыми числами п=2, п=3,4; электронов; молекулярных ионов совместно с уравнениями для средней энергии электронов и поля. Подробно описана сама модель и алгоритм ее программной реализации.
Для учета влияния паров металла, которые возникают в разряде в процессе распыления материала вещества электродов, на кинетику процессов в плазме ОР была разработана модель, которая дополнительно учитывает уравнения для концентрации ионов и возбужденных атомов металла.
В третьей главе представлены результаты исследования физических механизмов формирования и развития объемного импульсного разряда в гелии атмосферного давления. Изучены условия и физические механизмы формирования плазменного столба и катодного слоя. Рассчитаны характерные параметры взрывоэмиссионных центров и особенности функционирования катодного пятна, а также характерные параметры и энерговкалад в прикатодной области ОР.
Исследования динамики формирования разряда выполнены с высоким пространственным и временным разрешением в наносекундном диапазоне времени с использованием электронно - оптического преобразователя типа ФЭР2-1 с предельным временным разрешением 10 не. Сопоставление пространственных картин с электрическими характеристиками показывает, что при облучении промежутка внешним ионизатором, когда ионизатор расположен сбоку от оси разрядного промежутка, а электроды сплошные, первое регистрируемое свечение возникает вблизи анода с характерным размером ~а" (а- коэффициент ударной ионизации), которое в дальнейшем в виде диффузионного свечения распространяется к катоду со скоростью -10 см/с.
В случае расположения внешнего ионизатора за сетчатым анодом, объемный разря формируется одновременно во всем объеме промежутка.
Обнаружено, что при малых напряжениях пробоя Uo<6kB разряд горит стационарно и характеризуется высокой однородностью и длительностью горения. При напряжениях Uo>6kB формируются диффузные каналы, привязанные к катодным пятнам, и разряд переходит в канальную форму, причем число диффузных каналов тем больше, чем выше и однороднее поле.
Далее приведены расчетные результаты степени однородности плазменного столба в зависимости от поля, давления газа и концентрации электронов предыонизации.
С учетом флуктуации как количества электронов в различных лавинах, так и флуктуации в пространственном распределении лавин, электростатического расталкивания, отличия nm;n от по получены условия формирования однородного разряда.
Расчетами показано, что формирование ОР в гелии происходит в процессе движения одной волны ионизации. Скорость катодонаправленной волны ионизации (КВИ) определяется интенсивностью накопления положительных ионов на фронте волны, которая определяется как искажением электрического поля зарядом положительных ионов фронта, т.е. увеличением эффективного коэффициента ионизации газа, так и скоростью рождения электронов на катоде за счет фотоэмиссии и составляет ~10 см/с.
При этом основным механизмом, обеспечивающим ток проводимости с катода на стадии формирования ОР, является фотоэмисия с катода. Стадия формирования ОР оказывается наиболее критичной к появлению зарядовых и других неоднородностей на катоде.
С использованием экспериментальных значений плотностей тока разряда рассчитаны характерные параметры прикатодной области разряда (поле, концентрация электронов, ионов, длина прикатодной области и т.д.).
Показано, что катодный слой неустойчив относительно флуктуации плотности тока разряда. В результате развития неустойчивости плотность тока на отдельных участках катода возрастает, при этом уменьшается катодное падение потенциала, а напряженность поля Ес 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. Также показано, что средняя плотность тока в столбе Jo определяет не только процесс зажигания катодного пятна, но и характер последующего горения разряда.
По экспериментально измеренным временам запаздывания формирования катодных пятен оценены характерные размеры пятен и плотности тока через пятна, которые составляют порядка ~10мкм и 10 А/см соответственно. В четвертой главе приведены результаты экспериментальных и численных исследований электрокинетических характеристик объемного разряда в гелии.
Обнаружено, что в пределах изменения давления газа от 1 до 5 атм, отношение U/(pd) остается постоянным и составляет ~ 4В/(см Тор). Получена зависимость напряжения горения разряда Ur от произведения pd. При этом на стадии объемного горения характерные параметры разряда остаются квазистационарными.
Показано, что длительность стадии объемного разряда в гелии уменьшается с ростом внешнего поля и определяется плотностью тока разряда, и не зависит оттого, какими начальными параметрами он задавался.
Численными методами моделированы электрокинетические характеристики разряда. В частности, получены характерные временные зависимости для основных компонентов плазмы при различных начальных условиях. Определены характерные временные зависимости потоков для различных элементарных процессов в разряде. Показано, что основными ионизационными процессами является ударная электронная ионизация атомов гелия из основного и возбужденного (п=2) состояний и ассоциативная ионизация возбужденных атомов из состояний с п=3,4, а доминирующим рекомбинационным процессом является диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов. Образование таких ионов происходит в реакциях конверсии атомарных ионов гелия, а убыль в процессе диссоциации с атомами гелия. Концентрация молекулярных ионов в рассматриваемых в работе условиях составляет (20-35)% от концентрации электронов на квазистационарной стадии горения разряда.
Показано, что в формировании заселенностей возбужденных состояний атомов доминирующую роль играют процессы ударного электронного возбуждения атомов из основного состояния и ступенчатое возбуждение, а процессы ассоциативной и ступенчатой ионизации приводят к убыли заселенностей этих уровней. Процесс ассоциации приводит к эффективному образованию эксимерных молекул гелия, которые могут играть роль эффективных резервуаров для вкладываемой в разряд энергии. А разрушение таких молекул происходит в процессе диссоциации.
Расчетами также показано, что время релаксации электронной плотности не зависит от амплитуды внешнего поля, а определяется давлением газа в промежутке. Доминирующим рекомбинационным процессом в процессе релаксации плазмы является диссоциативная рекомбинация.
В пятой главе обсуждаются результаты исследования спектра излучения паров металла, формируемых в разряде при распылении материала вещества электродов, а также их влияние на однородность, устойчивость и кинетику процессов в разряде. Здесь же представлены результаты исследования особенностей инициирования и развития неустойчивостей ОР.
Выявлены и исследованы наиболее интенсивные спектральные линии паров металла электродов: алюминия и железа. Обнаружено, что на временных зависимостях интенсивностей линий алюминия характерно наличие двух максимумов, а для железа -один. При этом амплитуда второго максимума на спектре алюминия с увеличением прикладываемого поля увеличивается. Расчетами показано, что второй максимум на спектре алюминия является рекомбинационным.
Анализ покадровых картин инициирования и развития неустойчивости ОР показал, что неустойчивость разряда обусловлена неустойчивостью катодного слоя. Роль инициирующих факторов при этом играют катодные и анодные пятна. С увеличением прикладываемого поля число катодных пятен и соответственно число нитевидных каналов увеличивается. С ростом давления газа размеры нитевидных каналов в разряде уменьшаются. В широком диапазоне плотностей токов и длительностей горения контракция разряда происходит за счет прорастания высокопроводящих каналов со стороны электродов (Vk= 10 см/с).
Показано, что несмотря на свою высокую проводимость, поле в канале оказывается высоким, соответственно и плотность мощности энергии выделяемая в канале. Образование высокопроводящего канала создает необходимые предпосылки для своего же самоподдержания. С увеличением области занятой каналом, увеличивается поле внутри канала. Процесс шнурования разряда становится необратимым.
В заключении диссертации сформулированы основные результаты и выводы работы.
Вклад автора. Личный вклад автора в работы, на основе которых написана диссертация, является определяющим. Автор внес основной вклад во все этапы численного исследования самостоятельного объемного разряда. Автор непосредственно участвовал в измерении электронно - оптических и спектральных характеристик разряда. Обработал результаты экспериментальных исследований и дал соответствующую интерпретацию.
Путем численного моделирования изучил как механизм формирования как механизм формирования катодного слоя ОР в гелии, так и кинетику формирования заряженных и возбужденных частиц в плазме.
По экспериментальным значениям времен формирования катодных пятен рассчитал характерные параметры прикатодной области, с учетом различных процессов эмиссии.
Впервые провел детальный анализ формирования спектрального излучения паров металла возбуждаемых в разряде, и на качественном уровне показал, что характер протекания тока существенно может определяться характерным распределением паров материала вещества электродов в межэлектродном промежутке.
Кинетические процессы и спектральное излучение импульсных объемных разрядов
Важнейшей характеристикой объемного разряда (ОР) является напряжение горения или отношение Е/Р [21]. Экспериментально для разрядов в N2, Не и смесях СС 2 :N2 :Не установлено, что в стадии ОР отношение Е/р поддерживается близкое к пробивному [1, 20]. Величина Е/р слабо зависит от плотности разряда и уменьшается при росте давления. Величина напряжение горения ОР не зависит от величины прикладываемого поля при постоянном давлении газа в промежутке [1, 22, 91]. Для разрядов с квазистационарной фазой характерны умеренные значения E/N -10" В/см и значения концентрации электронов пе 10 см". На развитие ионизационных процессов в плазме существенную роль играют элементарные процессы, протекающие в разряда.
Плазма ОР в благородных газах характеризуется большой концентрацией возбужденных метастабильных атомов и молекул (Аг,Аг2,Кг,Кг2 и т.д.). Важное практическое значение имеют метастабильные состояния гелия He(2JS) с временем жизни т=2,5 10" с и Не(2 S)- т= 2-Ю" с. Большие излучательные времена жизни метастабильных состояний обеспечивают относительно высокую плотность частиц в этих состояниях, которая создается в слабоионизированном газе [1, 23]. Энергетический интервал между потенциалом ионизации и потенциалом возбуждения метастабильных состояний невелик (единицы эВ). С одной стороны, в процессе рождения заряженных частиц основной вклад дают реакции с участием метастабилей (ступенчатая ионизация и пеннинговская ионизация), а с другой, имеется дополнительный канал возврата энергии электронов плазмы за счет тушения возбужденных состояний в ударах второго рода. Разряды в смесях благородных газов с небольшими добавками галогенидов имеют ряд отличий от разрядов в молекулярных газах. Во-первых, из-за небольшого процентного содержания молекулярного компонента доля энергии электронов, теряемая на возбуждение колебательных уровней молекул, не является преобладающей, как, например, при разряде в азоте. Основные экспериментальные потери связаны с возбуждением электронных уровней и с упругими соударениями. Это приводит к тому, что при одних и тех же отношениях напряженности электрического поля к давлению, средняя энергия электронов в благородных газах и их смесях с небольшими добавками молекулярных газов оказывается выше, чем в смесях с преобладанием молекулярного компонента [1].
Диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов Аг2 , Хег , Не2 и электронов, а также трехчастичная рекомбинация начинают играть роль при высоких концентрациях tie 10 см . Для процесса диссоциативного прилипания характерна линейная зависимость скорости убыли электронов от их концентрации. Поскольку исследования разряда в благородных газах и их смесях с галогенидами проводились главным образом применительно к проблемам создания лазерных сред, то большое внимание уделялось выбору условий, оптимальных для создания эксимерных молекул. Такие молекулы создаются в возбужденном газе двумя способами [24,25].
В целом кинетика процессов в плазме ОР достаточно сложна и в различных средах могут преобладать различные механизмы. Достаточно полно эти механизмы изучены для активных сред наиболее перспективных эксимплексных лазеров в работе [26].
Спектроскопические исследования находят широкое применение в физике плазмы. Их преимущество состоит в том, что они исключают воздействие на плазму, можно определить пространственно-временное изменение плотности и температуры электронов, ионов и нейтральных частиц в плазме, степень загрязнения плазмы, а также спектральный состав излучаемого света.
Разрешенная во времени спектрометрия плазмы позволяет также определить распределение концентрации возбужденных и метастабильных атомов по энергетическим уровням.
Распределение интенсивностей в спектре излучения газового разряда определяется целым комплексом физических явлений, включающих в себя как неупругие соударения электронов с атомами, так и столкновения тяжелых частиц. Одновременная регистрация электрических характеристик со спектральными позволяет определить начало записи спектральных линий относительно импульса напряжения или тока, в частности, определить момент зажигания катодных и анодных пятен по линиям материала электродов [1]. При достаточно большой концентрации возбужденных атомов и молекул в плазме на скорость заселения возбужденных состояний и образования ионов влияют как прямые процессы, так и ступенчатые.
В работе [27] исследовано возбуждение ионов аргона при электронно-атомных столкновениях. Исследованы 23 линии, излучаемые при возбуждении уровней с конфигураций ЗР 4Р, с которых возможны лазерные переходы. Данные по возбуждению линий позволили определить сечения отдельных уровней конфигурации ЗР . Спектральные свойства излучения плазмы можно исследовать различными методами. В работе [28] методом зеркальной развертки исследовались спектральные свойства излучения водородной плазмы газового разряда, что позволило изучить поведение во времени спектра разряда в видимой области. В частности, показано, что в рассматриваемых условиях интенсивность линии На в 50-20 раз превышает интенсивность линии Нр ив еще большей степени линии Ну. Полуширина линии Нр с ростом давления увеличивается. В смеси Иг с Не для начальной стадии в спектре разряда линии Не не регистрируется, что объясняется значительно большей энергией возбуждения (для Неї 5876-23 эВ, для Н2 6563-12 эВ). Однако, при образовании яркого плазменного шнура линии Не возбуждаются в разряде. Возникновение этих линии рассматривается как доказательство возрастания температуры при сжатии плазменного шнура. При расширении плазмы температура падает, и линии, отвечающие высоким возбуждениям, исчезают. В импульсных разрядах имеется определенный температурный градиент во времени, тогда должно наблюдаться появление и исчезновение спектральных линий различной кратности ионизации. При известном ходе или максимуме температурных функций возбуждения соответствующих спектральных линий, становится возможным определить ход температуры во времени. Такие измерения были сделаны в работе [29] при исследовании мощного импульсного разряда в атмосфере аргона. С ростом интенсивности возбуждения спектральных линии возрастает температура, а при охлаждении плазмы интенсивность линии аргона спадает. Проведенные исследования показывают, что основные параметры плазмы обычно изменяются в соответствии с изменением импульса тока.
Регистрация электрических и спектральных характеристик разряда
Напряжение на промежутке определялось осциллографированием сигнала с делителя напряжения R5, R6 на осциллографах ОК-21, С8-14. Данный метод с учетом переходных процессов в измерительном тракте обеспечивает временное разрешение 10 не. Сопротивление, с которого снималось напряжение, в зависимости от осциллографа и передающего кабеля выбиралось равной 100 Ом при работе на осциллографе ОК-21, 50 Ом на осциллографе С8-14. Для регистрации тока разряда использовался малоомный шунт с сопротивлением 2 Ом, который соединялся последовательно разрядному промежутку. Сопротивление шунта образовывали 5 сопротивлений марки ТВО по 10 Ом каждая, соединенных параллельно друг с другом и коаксиально относительно заземленного электрода.
Погрешности измерения тока и напряжения составляют 15%. По известному сечению разряда и току определялась плотность тока разряда - по ней концентрация электронов. Начальная концентрация электронов, создаваемая внешним ионизатором в промежутке до подачи высокого напряжения, оценивалась по измеренному току в разрядной цепи при постоянном напряжении на промежутке 100-300 В. Значение концентрации электронов, определенное по такой методике, составило 10 см" . Регистрация спектров излучения разряда с временным разрешением позволяет определить такие параметры плазмы, как температура и плотность электронов, проследить за интенсивностью отдельных спектральных линий, возбуждаемых в разряде и т.д. С этой целью была создана экспериментальная установка, блок схема которой приведена на рис.3. Узлы установки. Экспериментальная установка состоит из следующих частей:
Оптическая часть, включающая в себя фокусирующую оптику (линза объектив), спектрограф типа СТЭ-1 и световоды с согласующими конусами. Система детектирования (ФЭУ-79, ФЭУ-77), электронная система для усиления сигналов и согласования волнового сопротивления нагрузки ФЭУ (рис.3).
Система регистрации - осциллографы типа С8-12, С8-14 в экранирующем шкафу. Система синхронизации, позволяющая синхронизировать включение системы регистрации и исследуемого явления.
Излучение исследуемого разряда передается фокусирующей системой I (линза, объектив) на входную щель спектрографа 2. Излучение, попадая в спектрограф, разлагается в спектр и передается по световодам 3 в блок ФЭУ 4. В фокальной плоскости спектрографа крепится каретка с микрометрическим винтом, в который закреплена входная часть световодов. Далее каждый световод отдельно подключается к ФЭУ, на конец световода одет согласующий конус. С помощью микрометрического винта с высокой точностью вход световодов можно перемещать в фокальной плоскости спектрографа, т.е. регистрировать любой участок спектра с точностью установки по шкале длин волн 0,01 А0.
Блок ФЭУ состоит из 5 одинаковых каналов, каждый из которых содержит фотоумножитель и эмиттерный повторитель для улучшения отношения шум/ сигнал и согласования нагрузки ФЭУ с передающим кабелем. Для защиты ФЭУ и повторителя от электромагнитных наводок по цепи питания использованы RC - развязки. Для калибровки фотоумножителей по анодной чувствительности для каждого канала предусмотрена плавная регулировка высокого напряжения. Высокая чувствительность ФЭУ в сочетании с повторителем позволяет регистрировать очень слабые сигналы с высоким временным разрешением ( 10 не). Интенсивность отдельных спектральных линий регистрировались двойным монохроматором МДПС - 3, ФЭУ-77, ФЭУ-79, ФЭУ-87. Временное разрешение в зависимости от типа ФЭУ до 10 не.
Регистрация пространственно-временного развития разряда производилась электронно- оптическим преобразователем ФЭР-2, работающим как в покадровом, так и в динамичном режиме. Основным элементом ФЭР является фотоэлектронный преобразователь света (трубка УМИ -92). Трубка УМИ-92 имеет кислородно- сурьмяно- цезиевый фотокатод с магнитной фокусировкой. Максимальная пространственная разрешающая способность трубки УМИ -92 - 15 штрихов / мм, временное разрешение в динамическом режиме развертки -3 10"п с. Прибор ФЭР2 обеспечивает широкий диапазон временных разверток от 10 не до 3 мкс. Для съемок в покадровом режиме отключалось напряжение развертки. Синхронизация работы ФЭР с исследуемым явлением осуществлялась подачей импульса тока или напряжения на вертикально отклоняющиеся пластины ЭОП синхронно с разверткой или подачей затворного импульса ЭОП на двухлучевой осциллограф с током разряда.
Формирования однородного плазменного столба
Из приведенного в разделе 3.1 диссертации анализа пространственно-временных картин развития разряда видно, что в общем случае однородность плазменного столба разряда определяется как условиями его формирования, так и граничными условиями. Поэтому здесь рассмотрим влияние различных начальных и граничных факторов на формирования однородного плазменного столба разряда.
Известно [79,80], что если напряженность электрического поля в разрядном промежутке превышает некоторое критическое значение Es, то развитие разряда может носит искровой характер вследствие образования стримера, когда объемный заряд электронной лавины создает поле Е , сравнимое с внешним полем Ео.
Очевидно, что неоднородность газоразрядной плазмы, обусловленная лавинно - стримерным переходом, будет дестабилизирующим разряд фактором. Поэтому в ряде работ [5,81] выдвинуто предположение, согласно которому для формирования объемного разряда необходимо создать условия, при которых лавинно - стримерный переход невозможен.
При этом следует заметить, что они получены в формальном предположении о необходимости перекрытия лавин за время удвоения в них числа электронов, т.е. физическая картина развития разряда фактически осталась за рамками работы. Кроме того, эти модели не позволяют объяснить зависимости предельных энерговкладов в среду [12,82] от концентрации начальных электронов.
Для исследования влияния начальных условий(давления газа и прикладываемого поля) на формирование однородного плазменного столба воспользуемся моделью формирования плазменного столба предложенная в работе [13]. Согласно этой модели, электроны предыонизации вследствие того, что их дрейфовая скорость выше скорости их диффузии поперек поля, ионизуя газ, образуют цуг лавин, идущих по следу друг друга и формирующих тонкие токовые нити. Применим указанную модель к формированию однородного плазменного столба в условиях нашего эксперимента.
Пусть в межэлектродном промежутке под действием внешнего источника произведена однородная предварительная ионизация газовой среды, и в результате в ней создана концентрация электронов и ионов по. Далее к этому промежутку прикладывается импульс напряжения с амплитудой Uo. Тогда электроны, двигаясь под действием электрического поля и ионизуя газ, образуют цуги лавин, идущих по следу друг друга. При этом радиус каждой лавины будет увеличиваться со скоростью диффузии электронов, т.е. где D- коэффициент диффузии, /- время. Описанная картина развития лавины длится до тех пор, пока радиус лавины не достигнет Дебаевского радиуса, rD = I 1—, или, иными словами, до момента времени t0, где t0 определяется из соотношения: vttQ = Ы(&0кТе/3e2vt),где v,- частота ионизации, Тг- температура электронов, «90- дрейфовая скорость электронов. После чего ее расширение резко замедлится, вследствии перехода от электронной диффузии к амбиполярной, и расширением лавины можно пренебречь. Если к этому моменту времени радиус лавин (R&rD) будет R r/2 (г = я0 1/3-среднее расстояние между электронами на стадии предварительной ионизации), то будет происходить перекрытие соседних лавин. Если R r/2, то перекрытие соседних электронных лавин не происходит, поскольку вследствие дрейфа электронов вдоль поля, продольные размеры лавины будут расти намного быстрее, чем поперечные, и лавины, идущие друг за другом, начнут налагаться друг на друга, прежде чем произойдет перекрытие соседних лавин. Это приводит к формированию в разряде тонких проводящих нитей.
Для создания однородного объемного разряда необходимо увеличение концентрации электронов предыонизации. Из рис. 3.3.1.а, также видно, что с увеличением прикладываемого поля эффективная площадь S,,, занимаемая разрядом, уменьшается, что связано с уменьшением диффузионного радиуса лавины. Следовательно, увеличение амплитуды прикладываемого поля требует увеличения концентрации электронов предыонизации для сохранения однородности плазменного столба.
Действительно, результаты анализа пространственно-временных картин формирования объемного разряда показывают, что с уменьшением прикладываемого поля, т.е. UO 6KB разряд горит однородно и устойчиво. Увеличение прикладываемого поля, соответственно и плотности тока разряда приводило к появлению на электродах очагов повышенной плотности ухудшающих пространственную однородность объемного разряда. Кроме того, поле в межэлектродном промежутке, не является полностью однородным. В связи с этим, в зависимости от значения прикладываемого поля, и степени ее однородности в промежутке возможны ситуации, когда, в центральной части разрядной зоны условия по перекрытию лавин будет выполнено, в то время как разряд на периферии будет состоят из множества микронитей.
Следует также отметить возможность образования канала в отдельной микронити. Очевидно, что при одинаковом значении тока, чем меньше в разряде формируются микронити, тем больше плотность тока в них.
Кинетика формирования заряженных и возбужденных частиц в плазме
Отметим, что плазма газового разряда является сложной и неравновесной системой, которая включает в себя комплекс из различных компонент, которые взаимодействуют друг с другом. Свойства такой системы определяются, эффективностью протекания того или иного процесса. Изучим роль различных элементарных процессов в общей кинетике развития разряда. В главе II (2.4.1) нами подробно была описана численная модель плазмы ОР в гелии, позволяющая определить характерные временные зависимости компонент плазмы и изучить роль различных элементарных процессов в кинетике развития разряда.
Рассмотрим результаты численного расчета. При расчетах давление газа менялось в приделах от 1 до 3 атм, а прикладываемое поле от 4 до 8 кВ. Разряд протекал в сантиметровом межэлектродном промежутке с концентрацией электронов предыонизации 10 см".
Анализ результатов расчета показывает, что спад напряжение на газоразрядном промежутке носит ступенчатый характер. При этом амплитуда ступеньки практически не зависит от прикладываемого поля, и увеличивается с увеличением давления газа. Данный результат находиться в хорошем согласии с результатами эксперимента (см. гл.З). Поскольку отношение Е/р определяет среднюю энергию электронов, то характерные значения температуры электронов на стадии объемного горения также должны оставаться постоянными и не зависеть от изменения давления газа и прикладываемого поля. Результаты расчета показывают, что характерные значения температуры электронов составляют (2,4-2,5) эВ и повторяют характерные зависимости для поля. Результаты расчета также показали, что доминирующий вклад в проводимость дает упругие столкновения с атомами гелия, поскольку частота упругих столкновений с ионами гелия намного меньше. На рис.4.3.1а. приведены расчетные значения концентрации электронов для двух значений прикладываемого поля 5 кВ (1) и 7 кВ(2), при давлении газа 1 атм. Как видно из этого рисунка, наибольший рост концентрации электронов достигается на стадии формирования ОР, пока поле на разрядном промежутке и соответственно температура электронов высокие. При этом, чем выше амплитуда прикладываемого поля и давление газа, тем соответственно, и концентрация электронов на стадии ОР выше.
Здесь, кривые: 1) поток образования заряженных частиц в процессе ударной электронной ионизации атома гелия по схеме (2.4.1.3). 2) поток образования электронов в процессе ассоциативной ионизации атома гелия в состоянии с п=3,4 по схеме (2.4.1.7). 3) поток образования электронов в процессе ударной электронной ионизации атома гелия в состоянии с п=2 по схеме(2.4.1.4). 4) поток убыли электронов в процессе диссоциативной рекомбинации по схеме(2.4.1.10). 5) поток образования электронов в процессе ударной электронной ионизации атома гелия в состоянии с п=3,4 по схеме (2.4.1.5). 6) поток убыли электронов в процессе диэлектронной рекомбинации по схеме (2.4.1.15). Как видно из рис.4.3.1б, основными процессами, способствующими развитию процессов ионизации в разряде являются ударная ионизация атомов в основном (1) и возбужденном состоянии с п=2 (3), а также процесс ассоциативной ионизации (2). Роль остальных ионизационных процессов несущественна, характерные потоки для них меньше чем потоков (1), (2),(3) на порядок и более. Из рис.4.3.1б также видим, что доминирующим рекомбинационным процессом в разряде является процесс диссоциативной рекомбинации (4). Диэлектронная рекомбинация при этом не играет практически никакой роли (рис.4.3.1б). Как видно из рис.4.3.1б при концентрациях электронов 10 см" и меньше, процессы ионизации не скомпенсированы рекомбинационными процессами. При высоком давлении газа, образующиеся в процессе ионизации ионы гелия, эффективно могут образовывать молекулярные ионы. На рис.4.3.2а приведены характерные временные зависимости для концентрации молекулярных ионов при двух значениях амплитуд прикладываемого поля 5 и 7кВ и давлении газа р=1 атм. Как видно из рис.4.3.2а концентрация молекулярных ионов на стадии объемного горения остается квазистационарной и составляет порядка 10 -10 см". С увеличением давления газа и прикладываемого поля относительная концентрация молекулярных ионов по отношению к концентрации электронов также увеличивается. В рассматриваемом диапазоне изменения начальных параметров относительная концентрация молекулярных ионов изменяется в пределах (20-35)%. Для выяснения доминирующей роли различных процессов, приводящих к образовании и рекомбинации молекулярных ионов гелия, рассчитывались характерные временные зависимости потоков образования и разрушения молекулярных ионов, которые приведены на рис.4.3.2б.
