Кинетические процессы в поперечных наносекундных электрических разрядах с полым катодом

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение........................................................... 5
Глава 1. Динамика формирования и развития поперечных
наносскундных разрядов с полым катодом в инертных газах 21
§ 1.1. Особенности формирования высоковольтных наносекундных газовых разрядов................................................ 22
1.1.1. Особенности формирования высоковольтных
наносекундных разрядов в сантиметровом промежутке................ 22
1.1.2. Особенности формирования высоковольтного
паносекундного разряда в промежутках с полым катодом............ 31
§ 1.2. Роль профиля поверхности катода при формировании поперечных наносекундных разрядов............................... 36
1.2.1. Экспериментальная установка и методы исследования 37
1.2.2. Разряд между плоским и электродам и...................... 42
1.2.3. Разряд между плоским анодом и полым катодом с полукруглой полостью........................................ 46
§ 1.3. Динамика формирования и развития поперечного
наносекундного разряда со щелевым катодом......................... 56
1.3.1. Результаты экспериментального исследования поперечного наносекундного разряда со щелевым катодом................... 57
1.3.2. Динамика формирования и развития поперечного
наносекундного разряда со щелевым катодом........................ 67
§ 1.4. Исследование процессов взаимодействия плазменно-пучкового разряда с диэлектрическими стенками разрядной камеры............ 76
1.4.1. Экспериментальная установка и методы исследования 76
1.4.2. Исследование динамики поверхностных явлений на границе
плазма-диэлектрик................................................. 80
1.4.3. Масс-спектрометрическое исследование процессов
адсорбции и десорбции газов на поверхности стенок разрядной камеры в условиях воздействия на них электронных потоков 84
Глава 2. Генерация высокоэнергетических электронов в наносекундных разрядах с полым катодом.............................. 89
§ 2.1. Эмиссия электронов с катода и поддержание наносекундного
разряда с полым катодом............................................ 89
§ 2.2. Высокоэнергетические электроны в наносекундных разрядах с полым катодом: механизмы формирования и энергетические
3
характеристики..................................................... 96
§ 2.3. Режимы движения ускоренных электронов в разрядной плазме и формирование электронных пучков.............................. 108
Глава 3. Анизотропия процессов электронного возбуждения в иаиосекундных разрядах с полым катодом............................. 125
§ 3.1. Поляризация атомных ансамблей в ионизованных газах 125
§ 3.2. Эффекты поляризации спонтанного излучения в плазменнопучковых разрядах с полым катодом.............................. 129
§ 3.3. Механизм поляризации атомных состояний в наносекундных разрядах с полым катодом....................................... 139
Глава 4. Формирование упорядоченных плазменных структур в поперечных наносекундных разрядах с полым катодом.................. 145
§ 4.1. Механизмы формирования периодических плазменных структур в газовых разрядах.................................... 146
4.1.1. Концепции формирования структур в газоразрядной плазме. 146
4.1.2. Страты в плазме газового разряда......................... 149
§ 4.2. Экспериментальное исследование процесса формирования
упорядоченных плазменных структур в наносекундных разрядах с полым катодом.................................................. 155
4.2.1. Результаты экспериментального исследования формирования упорядоченных плазменных структур в импульсных разрядах наносекундной длительности............................ 156
§ 4.3. Общие закономерности и механизмы формирования упорядоченных плазменных структур в наносекундных разрядах с полым катодом.................................................... 170
4.3.1. Анализ экспериментальных результатов и обсуждение механизмов формирования.................................... 170
4.3.2. Аналитическая модель ионизационно-дрейфовых структур (страт).................................................... 175
4.3.3. Эффекты кумуляции электрического поля и заряженных частиц в наносекундном разряде со щелевым катодом.......... 183
Глава 5. Влияние внешнего магнитного поля на пространственную структуру и основные характеристики наносекундных разрядов с
полым катодом...................................................... 196
§ 5.1. Влияние внешнего магнитного поля на пространственную структуру разряда.............................................. 197
4
5.1.1. Результаты экспериментального исследования электрических характеристик и пространственной структуры разряда в магнитном поле и без него............................ 198
5.1.2. Обсуждение и анализ экспериментальных результатов 204
§ 5.2. Влияние внешнего магнитного поля на оптические и
спектральные характеристики разряда.............................. 209
§ 5.3. Формирование упорядоченных плазменных структур во внешнем магнитном поле......................................... 219
Глава 6. Кинетические и оптические эффекты с участием мета стабильных атомов инертных газов в высоковольтных поперечных наносекундных разрядах.............................. 236
§ 6.1. Результаты экспериментального исследования заселенностей возбужденных состояний атомов в наносекундных разрядах с полым катодом.......................................................... 236
6.1.1. Техника и методика измерения концентрации возбужденных атомов в наносекундных разрядах............................ 237
6.1.2. Результаты экспериментального исследования концентраций метастабильных атомов в наносекунд)юм разряде
с полым катодом................................................ 250
§ 6.2. Роль метастабильных атомов в кинетике возбужденных атомов
наносекундных разрядов с полым катодом........................... 260
§ 6.3. Оптические эффекты с участием метастабильных атомов в
наносекундных разрядах с полым катодом........................... 273
6.3.1.Экспериментальное исследование эффектов взаимодействия лазерного излучения с плазменной структурой поперечного не разряда........................................................ 273
Заключение......................................................... 288
Литература
292
5
Введение
Актуальность темы диссертации. Свойства плазмы, получаемой с помощью стороннего жесткого ионизатора, исследуются и обсуждаются в научной литературе в течение длительного времени [например, 1-11]. Это связано с широким применением неравновесной плазмы, создаваемой электронными пучками, в различных технологических устройствах, в частности, для накачки газовых и плазменных лазеров, для обработки поверхностей и нанесения тонких пленок, в радиационной и электроннолучевой технологиях, в плазмохимии и в других областях [12-15]. Известно, что при пучковой накачке лазерных смесей газов проявляется ряд преимуществ, связанных со снижением порога генерации, с возможностью увеличения рабочего давления, осуществления квазистационарной генерации и повышения КПД [16-18]. Однако электронные ускорители работают в глубоком вакууме (ТУ < 1014 см*3), в то время как плотность газа в лазерноактивном объеме весьма велика (ТУ » 1017—1020 см’3). Следовательно, возникает задача отделения области формирования пучка от лазерной среды. Известные решения этой задачи состоят в применении окна, выполненного в виде фольги [19] или же система дифференциальной откачки [20]. Эти трудности можно обойти, если совместить условия, при которых происходит генерация электронных пучков, с условиями их использования, т.е. генерировать пучки быстрых электронов непосредственно в процессе формирования разряда.
В настоящее время пучки ускоренных электронов получают в высоковольтных наносекундных разрядах при давлениях газа вплоть до атмосферного [21-25]. Ускоренные электроны формируются в стадии запаздывания импульсного пробоя при высоких перенапряжениях [21] и в стадии закарачивания разрядного промежутка приближающимся к аноду плазменным катодом [22]. Исследования, выполненные в последние десятилетия различными авторами, так же показали, что генерация высокоэнергетических электронов имеет место в открытых разрядах с
6
сетчатым анодом [26, 27], в наносекундных скользящих по поверхности диэлектрика разрядах в газе [28] и в длинных трубках, где пробой происходит в виде ионизирующих волн градиента потенциала [29, 30].
Научный интерес к исследованиям плазменно-пучковых разрядов (ППР) связан не только с их широким практическим применением, но и с фундаментальными вопросами, связанными с физикой импульсного пробоя (с установлением последовательной динамики развития наносекундного ППР, с выяснением роли процессов на поверхности электродов в инициировании и развитии ППР, определением механизмов генерации ускоренных электронов и влияния релаксации энергии ускоренных электронов на динамику развития, а также оптические и спектральные характеристики ППР). Самостоятельный интерес представляют нелинейными явлениями, связанные с взаимодействием электронных потоков в неравновесной плазме с сильными электрическими и магнитными полями, в том числе и в связи с поведением заряженных пылинок в плазме, выстраивающихся в регулярные диссипативные структуры - кулоновские диссипативные кристаллы [31, 32] и возможностью получения на их основе определенных наноструктур и наноматериапов.
Обзор научной литературы показывает, что к началу данной работы нет единого мнения по вопросам динамики формирования и развития ППР и механизмам генерации убегающих электронов в таких разрядах. Например, в работах [8, 22, 33] предлагается нелокальный критерий убегания электронов в виде универсальной для данного газа двузначной зависимости для "критического" напряжения исг от р(1 (р — давление газа, с1 — расстояние между плоскими электродами) а1(Еспр)с1 <~ 1. Эти кривые отделяют область эффективного размножения электронов от области, в которой электроны покидают разрядный промежуток, не успев размножиться. Из вышесказанного делается вывод, что для большинства электронов таунсендовский режим размножения реализуется даже в полях с большой напряженностью Е >Есп когда согласно обычной точке зрения все электроны непрерывно ускоряются.
7
В работе [34] вся концепция, изложенная в работах [8, 22, 33] ставится под сомнение. Ключевым моментом критики теории является утверждение о том, что введение Я/ - как функции Е/р является для сильных полей физически бессмысленным. По мнению автора [34], функция распределения электронов по энергиям, а с нею и частота ионизации и коэффициент Таунсенда при больших Е/р даже в однородном поле должны явно зависеть от координат. В [34] утверждается, что предложенный в [22] «новый» критерий убегания электронов в плотных газах критерием убегания не является, а «верхняя кривая» зависимости 1/(рс1) не существует.
Автор [35] так же указывает на не универсальность критерия убегания, предложенной в работах [22, 33] и подвергает сомнению существование второй правой (верхней по [22]) ветви на кривой Пашена, полученной с использованием для определения условий зажигания разряда крайне упрощенной модели, где не учитывается вырывание электронов из катода быстрыми атомами и ионами.
Между авторами работ [27, 36, 37] и автором работ [38, 39] также ведутся дискуссии относительно механизмов формирования электронных пучков в открытых разрядах. Открытый разряд возникает в узком зазоре между катодом и сетчатым анодом, за которым расположено протяженное дрейфовое пространство. Авторы работ [27, 37] и [36] настаивают на фотоэлектронном механизме эмиссии и формирования электронных пучков в разряде открытого типа (т.е. разряд поддерживается самоподсветкой из области дрейфа электронного пучка), в то время как в работах [38, 39] утверждается, что открытый разряд с сетчатым анодом принадлежит к разновидности тлеющего разряда с анодной плазмой и эмиссия электронов с катода происходит за счет бомбардировки поверхности катода быстрыми тяжелыми частицами.
Такие ситуации закономерны, поскольку нет достаточно полной экспериментальной базы для формирования достоверных выводов. Поэтому актуальным является вопрос о детальном экспериментальном изучении
8
физических свойств и разработке новых типов плазменно-пучковых разрядов для использования в устройствах сильноточной электроники.
Таким образом, к примерам имеющихся в этой области физики проблем, не получивших к моменту начала настоящей работы должного исследования и объяснения, можно отнести отсутствие единого мнения о механизме эмиссии электронов и о динамике формирования и развития плазменно-пучковых разрядов, недостаточность работ по развитию теории процессов, приводящих к генерации высокоэнергетичных электронов в наносекундных разрядах. Не исследованы нелинейные явления, которые имеют место в неравновесной и нестационарной плазме импульсных плазменно-пучковых разрядов наносекундной длительности. Кроме того, практически нет работ по исследованию влияния магнитного поля на электрические, оптические, спектральные характеристики, динамику развития и структуру наносекундных плазменно-пучковых разрядов с полым катодом.
Сказанное позволяет определить предмет исследования диссертации как кинетические процессы в поперечных наносекундных электрических разрядах с полым катодом и заключить, что актуальность работы обусловлена возможностью широкого использования результатов исследования при разработке и применении на практике нового класса электрических разрядов - сильноточных поперечных наносекундных плазменно-пучковых разрядов с полым катодом.
Поэтому целью и главными задачами, которые ставил перед собой автор диссертации, были следующие:
- экспериментальное исследование электрических, оптических, спектральных и поляризационных характеристик поперечных наносекундных электрических разрядов в инертных газах в зависимости от формы профиля поверхности катода и диэлектрической границы, ограничивающей область разряда в поперечном магнитном поле и без него;
9
- установление последовательной динамики формирования и развития поперечного наносекундного плазменно-пучкового разряда с полым катодом и исследование влияния формы поверхности катода на динамику развития и основные характеристики разряда;
- установление механизмов эмиссии, оценка значений коэффициента электронной эмиссии, исследование энергетических характеристик ускоренных электронов и влияния характера релаксации энергии ускоренных электронов на динамику развития и оптические свойства плазменно-пучкового разряда;
- исследование механизмов и степени влияния внешнего магнитного поля на пространственную структуру поперечных наносекундных разрядов с катодом с различной кривизной поверхности;
- экспериментальное и теоретическое исследование кинетики возбужденных атомов наносекундного разряда с полым катодом в инертных газах в магнитном поле и без него, а также изучение оптических эффектов, возникающих при взаимодействии
широкополосного лазерного излучения с неоднородной и неравновесной плазмой поперечного наносекундного разряда с полым катодом;
- исследование физических процессов на границе диэлектрических материалов стенки, ограничивающей наносекундный плазменнопучковый разряд.
Объектами исследования явились поперечные наносекундные плазменно-пучковые разряды с протяженными полыми катодами с различной кривизной поверхности в инертных газах в диапазоне давлений газа (1-100) Тор и амплитудах импульсов прикладываемого напряжения 0,1 - 5 кВ в магнитном поле и без него.
Экспериментальные и теоретические методы исследования. Для решения поставленных задач был принят комплексный подход, включающий физические эксперименты и анализ их результатов на основе различных моделей: динамика развития разряда исследовалась методом скоростной фоторегистрации с использованием скоростного фоторегистратора,
10
имеющего субнаносекундное временное разрешение; пространственная структура разряда исследовалась с использованием цифровой ПЗС-камсры, подключенной к компьютеру; концентрация электронов в разряде оценивалась по проводимости на основе вольтамперных характеристик, измеренных методом осциллографирования и измерялась спектроскопическим методом по штарковскому уширению спектральных линий водорода; концентрации возбужденных, в том числе и метастабильных атомов, измерялись методами реабсорбции оптического излучения и лазерной абсорбционной спектроскопии; поверхностные явления на стенках разрядной камеры исследовались путем измерения диэлектрической проницаемости и tgб-диэлeктpичecкиx потерь материала стенки трубки; параметры ускоренных электронов, периодической плазменной структуры ( страт) и областей нескомпенсированного положительного заряда получены на основе численного решения различных моделей.
Информационную базу исследования составили научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, материалов научных конференций, семинаров.
Достоверность научных результатов и обоснованность научных положений подтверждается систематическим и комплексным характером исследования, позволившим получить экспериментальные данные путем использования различных современных экспериментальных методик исследования плазмы, а также согласованностью результатов численных моделей с экспериментальными результатами и имеющимися данными других авторов. Кроме того, достоверность результатов подтверждается согласием экспериментальных данных с результатами теоретических исследований.
Научная новизна исследования. В результате проделанной работы впервые получены следующие результаты:
- выполнены комплексные экспериментальные исследования основных характеристик и пространственной структуры поперечных наносекундных разрядов в гелии, неоне и аргоне в зависимости от
11
амплитуды прикладываемого напряжения, давления газа, формы профиля полости в катоде и влияния диэлектрической границы, ограничивающей область разряда в магнитном поле и без него. Установлено, что в зависимости от значений параметра Е/N и плотности электронов пе существуют три различные формы функционирования исследованного наносекундного разряда, а именно: стратифицированный разряд,
однородный объемный разряд с пучком электронов и сильноточный плотный разряд с областями кумуляции электрического поля и заряженных частиц;
- исследована динамика формирования наносекундных разрядов при различных профилях поверхности катода и установлено, что процесс формирования разряда с катодом с прямоугольной полостью состоит из двух стадий. На начальной стадии рост проводимости обусловлен лавинным размножением первичных электронов, инициированных с поверхности катода. На второй стадии в результате перераспределения электрического поля между электродами за счет пространственного заряда происходит электрический пробой между положительным пространственным зарядом и стенками полости катода, в результате чего
: разряд проникает внутрь полости, что приводит к росту импульса тока
более, чем на порядок, и формированию основного импульса тока и излучения;
- предложен и реализован в разряде с полым катодом метод оценки значения коэффициента эмиссии электронов из катодной плазмы из осциллограмм напряжения горения и разрядного тока;
- с использованием метода поляризационной спектроскопии установлено, что в исследуемом типе наносекундного разряда формируются пучки ускоренных электронов, и показано, что оптимальным для генерации электронных пучков из исследованных типов разрядов является
I
открытый разряд с катодом с прямоугольной полостью, где величина тока пучка на поверхности анода достигает до 20% от величины
j
разрядного тока;
I
I t
1 1
л
12
впервые в наносекундных разрядах в инертных газах обнаружено и экспериментально исследовано формирование поперечных периодических плазменных структур. Определены верхние границы области формирования периодической структуры в разряде в гелии, неоне и аргоне по напряжению горения и разрядному току в постоянном магнитном поле и без него. Установлено, что при повышении напряжения из-за появления высокоэнергетических электронов плазменная структура размывается, и разряд переходит к однородной объемной форме; обнаружено, что при высоких значениях прикладываемого напряжения в наносекундном разряде со щелевым катодом у выхода из полости катода формируется область нескомпенсированного положительного заряда, которая играет роль виртуального анода, и путем численного решения теоретической модели показано, что образование локальной области усиленного электрического поля связано с неоднородным характером процессов продольного и поперечного дрейфа электронов и ионов в исследованных условиях;
выполнены детальные исследования концентраций возбужденных атомов инертных газов в наносекундных разрядах с полым катодом в магнитном поле и без него. Установлено, что на заднем фронте импульса тока формируется второй максимум заселенностей возбужденных состояний атомов, связанный с быстрой релаксацией средней энергией электронов и, как следствие, перераспределением заселенностей уровней, расположенных в районе «узкого места»;
впервые установлено, что в процессе взаимодействия широкополосного лазерного излучения с неоднородной плазмой поперечного наносекундного разряда со щелевым катодом вблизи узкой спектральной линии поглощения неона на длине волны Я = 650,6 нм формируются контуры поглощения вида аномальной дисперсии;
исследованы закономерности изменения диэлектрических свойств материала стенки разрядной камеры при ее взаимодействии с наносекундным плазменно-пучковым разрядом. Установлено, что после
13
взаимодействия с наносек'ундным плазменно-пучковым разрядом в частотной зависимости tg5 - диэлектрических потерь в стенке разрядной камеры из стеклотекстолита происходят необратимые изменения.
Научная и практическая значимость работы определяется актуальностью темы и научной новизной проведенных в диссертации исследований. Результаты выполненных комплексных экспериментальных и теоретических исследований будут способствовать дальнейшему развитию физических представлений об не ППР, в частности, построению последовательной и непротиворечивой картины формирования и развития не ППР, объяснению наблюдаемых в таких разрядах нелинейных эффектов.
Развитую в работе методику комплексного исследования нестационарной неравновесной плазмы ППР можно использовать для диагностики активных сред мощных газовых лазеров и других газоразрядных устройств на основе не разрядов.
Результаты исследований влияния поперечного магнитного поля на оптические свойства наносекундных разрядов можно использовать для повышения светоотдачи и управляемого изменения излучательных характеристик газоразрядных источников света.
Полученные в диссертации результаты важны для понимания физики процессов, протекающих в микроразрядах в полом катоде для улучшения качества и увеличения срока работы плазменных экранов.
Предложенная и исследованная в работе конструкция разрядной камеры может быть использована для изготовления источников мощных не импульсов тока при небольших потребляемых значениях напряжения.
Апробация. Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены на XX Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Пиза (Италия) 1991), на IV, V, VI, VII, VIII, IX, X Всесоюзных конференциях по физике газового разряда (Махачкала, 1988, Омск, 1990, Казань, 1992, Самара, 1994, Рязань, 1998, 2000, 2002), на Всесоюзных конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991, Петрозаводск, 1998), на XXXIII, XXXV, XXXVI, XXXVII, XXXVIII, XXXIX Международных
14
(Звенигородских) конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород 2006, 2008, 2009, 2010, 2011 и 2012), на V и VI International Conference Plasmas’ Physics and Plasma Technology - PPPT (Minsk, 2006 и 2009), на VIII и IX Международных конференциях «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул» (Томск, 2007 и 2009), на Международных конференциях «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2007, 2009 и 2010); на Международной конференции «Физика высокочастотных разрядов» (Казань, 2011), на Всероссийских научных конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 2004, 2011), на I, II, III, IV, V и VI Всероссийских конференциях по физической электронике (Махачкала, 1999, 2001, 2003, 2006, 2008 и 2010), а также на научных семинарах ДГУ, СПбГУ, ИВТ РАН, ИОФ РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 32 статьи в отечественных и зарубежных журналах. Из них статей в журналах, рекомендованных ВАК - 23, тезисов докладов в материалах Международных и Всероссийских конференций - 46.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения; содержит 312 страниц, включая 94 рисунков, 16 таблиц и библиографию из 296 наименований.
В первой главе приведен краткий обзор работ посвященных исследованию высоковольтного не разряда в сантиметровых промежутках и в промежутках с полым катодом. Из анализа результатов работ показано, что многие вопросы, связанные с физикой импульсного пробоя и механизмами генерации высокоэнергетических электронов в разрядной плазме до конца не выяснены и вызывают научные дискуссии и споры. И практически отсутствуют работы по исследованию динамики формирования и развития, основных характеристик и структуры поперечных не ППР с полым катодом.
Описываются результаты экспериментального исследования электрических характеристик и пространственно-временного распределения интегрального по спектру излучения разряда между электродами и в полости катода в открытом и ограниченном разряде в гелии и в аргоне в диапазоне
15
давлений газа 1-100 Тор. Приводятся оценки времени запаздывания разряда и на основе этих оценок показано, что рост проводимости на стадии формирования разряда обусловлен лавинным размножением первичных электронов инициированных с поверхности катода. На основе оценок постоянной времени экранирования приложенного поля показано, что за короткие времена, пространственный заряд ионов экранирует внешнее поле в большей части разрядного промежутка и это приводит к формированию катодного слоя и быстрому образованию области катодного падения потенциала (КПП), где происходит ускорение электронов. В ходе анализа результатов таких расчетов и экспериментальных данных установлена динамика развития пробоя в исследованных условиях.
Приведены результаты исследования влияния профиля поверхности катода на электрические характеристики, динамику формирования, пространственное распределение оптического излучения в полости катода и в промежутке и на закономерности изменения тока и напряжения горения не ПЛР. На основании полученных экспериментальных результатов сделан сравнительный анализ поперечных не разрядов с тремя различными электродными системами с позиций соответствия их известному аномально-тлеющему разряду (АТР). Приведены результаты исследования процессов взаимодействия высокоэнергетических электронов, формируемых в поперечном наносекундном разряде, с диэлектрическими стенками разрядной камеры. Так же результаты анализа газовыделения из материала стенок под воздействием электронного пучка и вакуума при помощи квадрупольного масс-спектрометра.
Во второй главе приведены результаты исследования механизмов эмиссии и генерации ускоренных электронов, их энергетических характеристик, режимов движения ускоренных электронов в разрядной плазме и формирования электронных пучков. Приведены оценочные значения коэффициента электронной эмиссии ус полученные по осциллограммам при достижении импульсом тока разряда своего максимального значения, которые указывают, что в разряде у выхода из
16
щели катода формируется плотная катодная плазма, которая играет роль плазменного катода.
Подробно обсуждаются процессы движения заряженных частиц, ионизации и формирования структуры разряда в гелии и аргоне когда Л > Ь, Ь >Л > I и Л « /, где Ь = 0,6 см - расстояние между электродами, / = 0,2 см -расстояние между боковыми поверхностями щели в катоде. В частности для условий Л > Ь показано, что быстрые электроны свободно достигают анода. При этом ионизация происходит во всем промежутке, на катод возвращается до половины ионов, генерируемых в плазме. ФТП отсутствует, и вся светящаяся область между катодом и анодом представляет собой область ОС. В этом случае области ОС у боковых поверхностей щели перекрываются и в полной мере проявляется эффект полого катода. Установлена связь А с длиной области ОС разряда и связь структуры оптического излучения и разряда с особенностями релаксации энергии ускоренных электронов. Сделаны оценки интенсивности пучка быстрых электронов и его ионизирующей способности и показано, что оптимальным для генерации электронных пучков из исследованных разрядов является открытый разряд в гелии с катодом с прямоугольной полостью, где величина тока пучка на поверхности анода достигает до 20% от величины разрядного тока.
Рассчитаны распределения потенциала электрического поля, распределения плотности заряженных частиц и траектории движения электронов в полости катода при различных концентрациях электронов и их средней энергии.
В третьей главе приводятся результаты исследования зависимости степени линейной поляризации излучения на различных спектральных переходах Не1 от давления газа в разрядной камере, амплитуды прикладываемого к электродам напряжения и времени, которые показывают, что излучение на спектральных линиях частично поляризовано, причем степень поляризации излучения на разных линиях различна по величине. Показано, что наблюдаемая в эксперименте поляризация излучения исследованных спектральных линий связана с пучковой составляющей
17
электронной компоненты, которая вызывает анизотропию процессов электронного возбуждения атомов Не1 в плазме не разряда с полым катодом.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования динамики формирования и поведения регулярной периодической плазменной структуры (страт) в широком диапазоне изменения р (1 - 100 Тор) и амплитуды и0 (0,1 - 1 кВ) в поперечных не разрядах с катодом с различной кривизной поверхности в Не, Ые и Аг. Установлены и приводятся критические значения напряжения горения и разрядного тока на верхней границе области формирования страт для всех исследованных условий. Определены и приводятся основные параметры плазменной структуры и разряда. На основе подробного анализа основных механизмов участвующих в образовании страт показано, что обнаруженные и исследованные в данной работе стоячие страты являются ионизационнодрейфовыми волнами.
Обсуждаются механизмы, приводящие к формированию области кумуляции электрического поля и заряженных частиц при повышенных значениях прикладываемого напряжения в ППР. Показано, что из-за вытягивания плазменных электронов внешним полем и диффузионного ухода быстрых электронов в поперечном направлении электроны быстро покидают область повышенной ионизации, что приводят к появлению области нескомпенсированного положительного заряда у выхода из щели катода со стороны разрядного промежутка. В дальнейшем эта область положительного заряда начинает играть роль виртуального анода и замыкает на себя ток свободных электронов, что приводит к ограничению тока между электродами. Описанная качественная картина формирования виртуального анода подтверждена результатами соответствующего расчета.
В пятой главе приведены результаты исследований влияния внешнего поперечного магнитного поля на электрические, оптические, спектральные характеристики и структуру поперечного не разряда с полым катодом. Полученные экспериментальные результаты показывают, что при наложении на разрядный промежуток постоянного поперечного магнитного поля
18
происходит стягивание разрядной области к центру разрядного промежутка и формирование плотного плазменного столба, то есть уменьшению размеров плазменной области вдоль приложенного магнитного поля. Причем при постоянном давлении в магнитном поле с увеличением величины Ц0 то есть плотности разрядного тока влияние магнитного поля на структуру разряда увеличивается. Одновременно с этим магнитное поле приводит к уменьшению напряжения горения и многократному увеличению разрядного тока. На основе анализа решения уравнения движения плазмы в магнитном поле показано, что наблюдаемые на эксперименте в магнитном поле изменения поперечных размеров разряда объясняются соотношением газокинетического и магнитного давления. Многократное увеличение плотности тока в магнитном поле связано с существенным увеличением частоты ионизации за счет замедления движения ускоренных электронов через катодный слой в магнитном поле и возвращением большинства ионов на поверхность катода.
Установлено, что наложение магнитного поля на разряд приводит к смещению максимума излучения в коротковолновую область спектра излучения разряда. Проанализированы общие закономерности влияния магнитного поля на оптические и спектральные характеристики разряда и показано, что наложение магнитного поля приводить к смещению «узкого места» в спектре энергетических уровней Не1. Следовательно, наложение магнитного поля приводит к изменению механизмов заселения уровней Не1 находящихся вблизи «узкого места», что приводит к изменению интенсивности излучения отдельных спектральных линий и смещению максимума излучения в коротковолновую область спектра излучения в разряде.
Приведены результаты исследования влияния магнитного поля на формирование упорядоченных плазменных структур в поперечном не разряде в Не, Кте и Аг.
В шестой главе приведены результаты экспериментального исследования концентраций возбужденных атомов гелия на уровне 23Б и 2^
19
в магнитном поле и без него. Установлено, что на уровне 238 в обоих случаях концентрация возбужденных атомов на порядок больше чем на уровне 2!8. Наложение поперечного магнитного поля на разрядный промежуток приводит к одновременному уменьшению концентрации возбужденных атомов на уровнях 21Б и 238. Получены результаты показывающие, что максимумы концентрации возбужденных атомов Не(238) и Аге(Зь*Р\) достигаются примерно при одинаковых разрядных условиях и составляют в максимуме величину порядка ~ 3-1013 см'3, что сопоставима с плотностью электронов в разряде.
Рассмотрена кинетика заселения возбужденных состояний атомов на примере наносекундного разряда в смеси гелия и при этом учтено большое число элементарных процессов с участием как заряженных, так и нейтральных частиц и фотонов.
Представлены результаты экспериментального исследования эффектов взаимодействия излучения широкополосного лазера на красителе со структурой поперечного нс разряда и анализ возможных механизмов искажение контура спектральной линии поглощения и формирования дисперсионного вида контура на длине волны 650,6 нм атома неона. Установлено, что максимум, эффекта искажения контура спектральной линии поглощения во времени, приходится на максимум плотности поглощающих, в том числе метастабильных атомов.
В заключении диссертации сформулированы основные результаты и выводы работы.
На защиту выносятся:
1. Тип поперечного наносекундного разряда с протяженным полым катодом, позволяющий генерировать ленточные пучки ускоренных электронов с энергией несколько кэВ и мощные наносекундные импульсы тока с амплитудой до 1 кА при средних давлениях рабочего газа.
2. Динамика формирования и развития поперечного наносекундного разряда с протяженным полым катодом.
20
3. Метод оценки значения коэффициента электронной эмиссии из осциллограмм напряжения горения и разрядного тока; механизмы генерации быстрых электронов и энергетические характеристики ускоренных электронов.
4. Кинетика релаксации энергии ускоренных электронов и связь между особенностями релаксации энергии быстрых электронов и формированием структуры поперечного наносекундного плазменнопучкового разряда с полым катодом.
5. Результаты исследования формирования периодической плазменной структуры в наносекундных разрядах с катодом с различной кривизной поверхности в инертных газах; основные параметры периодической плазменной структуры и верхние границы области их формирования в разряде по напряжению горения и разрядному току в гелии, неоне и аргоне в магнитном поле и без него.
6. Модель формирования виртуального анода у выхода из полости катода и результаты ее решения.
7. Механизмы изменения поперечных размеров, увеличения интенсивности оптического излучения и перераспределения интенсивностей в спектре излучения поперечного наносекундного разряда с полым катодом в поперечном магнитном поле.
8. Результаты исследования концентраций метастабильных атомов инертных газов в наносекундных разрядах с полым катодом в магнитном поле и без него. Механизмы образования и разрушения метастабильных атомов в наносекундном разряде с полым катодом.
9. Закономерности формирования контура поглощения вида аномальной дисперсии на длине волны X = 650,6 нм при взаимодействии широкополосного лазерного излучения с неоднородной плазмой поперечного наносекундного разряда с щелевым катодом в неоне.
10.Результаты исследования общих закономерностей поверхностных явлений на границе наносекундный плазменно-пучковый разряд-диэлектрик.
21
Глава 1. Динамика формирования и развития поперечных наносекундных разрядов с полым катодом в инертных газах
Разряд с полым катодом с осциллирующими электронами в полости катода и с плотностью тока на холодном катоде до десятков А/см2 при напряжении от сотен вольт до нескольких десятков кВ нашел многочисленные применения в различных отраслях науки и техники [40-44]. Однако в настоящее время не существует удовлетворительно согласующейся с экспериментом теории, позволяющей объяснить ряд специфических свойств такого разряда. Многие авторы объясняют сложившуюся ситуацию многообразием и сложностью элементарных процессов в разрядном промежутке и на катодной поверхности. В таких разрядах практически все прикладываемое к разрядному промежутку напряжение сосредоточено в узком катодном слое между заполняющей катодную полость разряда плазмой и катодной поверхностью. Общепризнанно, что основную роль в механизме развития разряда играют образовавшиеся в результате вторичной электронной эмиссии на катодной поверхности электроны, расходующие приобретенную в катодном слое энергию на возбуждение и ионизацию газа при последующих осцилляциях в катодной полости. Траектории осциллирующих электронов в основном зависят от геометрии катодной полости. При этом если области отрицательного свечения у противоположных поверхностей полости катода перекрываются, то в полной мере проявляется «эффект полого катода».
В данной работе предложен новый тип поперечного наносекундного разряда с электродной системой, состоящей из плоского анода и катода со сложным профилем поверхности с отрицательной кривизной. Экспериментальное исследование начальных стадий и основных характеристик такого разряда поможет установлению общих закономерностей динамики формирования и развития наносекундных разрядов с протяженным полым катодом.
22
§ 1.1. Особенности формирования высоковольтных наносекундных
газовых разрядов
Анализ большого количества научных работ, посвященных исследованию высоковольтных наносекундных разрядов, показывает, что в таких разрядах всегда имеет место генерация высокоэнергетических электронов и эти электроны существенным образом влияют на характеристики самого разряда. Такого характера работы можно разделить на несколько групп. Остановимся на анализе работ по исследованию высоковольтных не разрядов в коротких промежутках наиболее близких к исследуемым в данной работе поперечным не разрядам. Такой обзор может дать представление о состоянии проблемы и о характерных условиях для формирования пучковой составляющей электронной компоненты плазмы.
1.1.1. Особенности формирования высоковольтных наносекундных разрядов в сантиметровом промежутке
Электрический пробой газов, получаемый с помощью импульсов высокого напряжения наносекундной длительности, изучается достаточно долго, начиная с середины прошлого века и до современных дней. Импульсный пробой наносекундной и субнаносекундной длительности интересен тем, что длительность прикладываемого импульса напряжения становится соизмеримым и в некоторых случаях даже меньше времени дрейфового ухода электронов из разрядного промежутка, что позволяет получить высокие значения величины перенапряжения на разрядном промежутке. Большой вклад в изучение и развитие этой темы привнесли работы [21, 45, 46].
Классические модели распространения стримеров в основном используются при относительно небольших перенапряжениях А « 1
(д = Ч™*. _ 1у где игпсх - максимальное значение импульса напряжения на
У\р
исследуемом промежутке). При достаточно больших перенапряжениях А > 1 классические модели пробоя плотных газов не применимы, так как развитие
23
газоразрядного процесса во многом отличается от развития классических форм разряда. Одной из важных особенностей высоковольтных не разрядов, развивающихся в перенапряженных газовых промежутках, является формирование высокоэнергетических электронов, называемых в литературе также быстрые электроны или же «убегающие электроны». Суть явления убегания электронов в полностью ионизованной плазме состоит в том, что в достаточно сильном электрическом поле за время свободного пролета электроны набирают большую энергию, чем теряют в столкновениях с частицами плазмы. Если в плазме имеет место внешнее электрическое поле, некоторая доля электронов с большой энергией всегда будет постоянно ускоряться.
Явление убегания электронов в плазме предсказано Вильсоном в 1924 году. С тех пор многие исследователи изучают не разряды с генерацией высокоэнергетических электронов, с целью выяснения физики этих разрядов и возможности их практического применения. Первыми экспериментальными работами, где были обнаружены высокоэнергетические электроны в разряде, были работы [47-49]. В этих работах быстрые электроны регистрировались по тормозному рентгеновскому излучению, возникающему при бомбардировке анода электронным пучком. В [49] пробой осуществлялся в воздухе и гелии при атмосферном давлении импульсами напряжения амплитудой 240 кВ с длительностью фронта около 10 не при емкости накопительного элемента генератора 470 пФ в электродной конфигурации «острие - плоскость» при длинах зазора 2-10 см. Диапазон изменения значений Е/р составлял 35- 140 В/см-Тор. Рентгеновское излучение регистрировалось фотопленкой. Для разряда в гелии были зарегистрированы кванты с эффективной энергией до 13 кэВ. Рентгеновское излучение разряда в воздухе при р = 760 Тор было зарегистрировано в иных условиях [48, 50]. Это достигнуто за счет обострения фронта импульса напряжения до 1 не и специальных мер по уменьшению потока инициирующих электронов с катода.
24
В работе [51] к промежутку длиной 0,4 см прикладывалось напряжение и0 = 20 кВ. Рентгеновское излучение фиксировалось за анодом фотоэлектронным умножителем с пластмассовым сцинтиллятором. Временное разрешение тракта регистрации составляло 3 не. С учетом известных диаграмм направленности излучения были рассчитаны полные энергии излучения за импульс. Из полученных таким образом зависимостей энергии от Е/р видно, что быстрые электроны в гелии наблюдаются при меньших значениях Е/р, чем в азоте. Кроме того, сделана попытка сопоставить результаты экспериментов [51] с теоретическими расчетами [52] доли быстрых электронов, которые при заданном Е/р могут перейти в режим непрерывного ускорения. По расчетным формулам [52] определялось количество ускоренных электронов, а затем была рассчитана доза рентгеновского излучения [51]. Она в 2 - 3 раза превышает
экспериментально измеренную дозу. Такое расхождение объясняется как погрешностями эксперимента, так и достаточно узкой областью применимости теоретических расчетов.
В обзорах [2, 23] приведены экспериментальные результаты многолетних исследований высоковольтного не газового разряда (ВНГР) в сантиметровых промежутках при давлении газа от долей Тор до атмосферного, когда реализуется эффективное убегание электронов. Обобщены результаты исследования эволюции оптического излучения разряда в пространстве и времени, приведены спектры излучения с наносекундным временным разрешением, а также пространственно -временные характеристики убегающих электронов (УЭ) и их энергетические распределения. В этих работах установлен момент генерации УЭ и исследовано рентгеновское излучение УЭ. На основании внутренне непротиворечивой интерпретации результатов исследований различных сторон разряда предложена модель самосогласованного развития разряда и ускорения электронов. Генерацию убегающих электронов в таких разрядах объясняют механизмом поляризационного самоускорения [2].
25
В [53] разработана одномерная численная модель импульсного высоковольтного разряда в плотном газе, развитие которого определяется нелокальным явлением убегания электронов. Модель самосогласованно учитывает кинетику заряженных частиц, ионизационные процессы, поля пространственных зарядов и внешний источник импульса высокого напряжения. Для преодоления трудностей, возникающих в связи с необходимостью одновременного учета интенсивного размножения заряженных частиц и явления убегания электронов, реализована новая версия крупных энергетических групп электронов. Конкретные расчеты выполнены для не разряда в гелии при атмосферном давлении и межэлектродном расстоянии сантиметрового диапазона для условий многократных перенапряжений. Расчеты доведены до вычисления зависимостей напряжения на промежутке и полного тока в цепи от времени.
В [54] на базе нелокальной теории пробоя в плотных газах дано объяснение наличию минимума на кривой зависимости 11(рсГ). Его наличие показано экспериментально. Диэлектрическая прочность газов должна характеризоваться однопараметрическим семейством кривых и(рс1,т), где т-время нарастания высокого напряжения в незамкнутой цепи. Статическая кривая Пашена и51{рс[) является вырожденным случаем кривых и(рс1,т) для конкретного газа. Этот результат показывает, что наряду с зависимостью 1/5{р<1) существует еще одна фундаментальная макроскопическая зависимость ит[п « Ь\>тщ'(рс1)тШу где Ь\ут1п - минимум функции потерь энергии электронами, а {рсГ)т1п ~ 11(рс1ут) .
Серия работ [55-64] посвящена исследованию электронных пучков и мягкого рентгеновского излучения, сформированных в газонаполненном диоде при высоких давлениях (от 1 до 6 атм.) в атомарных и молекулярных газах, а также в их смесях. В этих работах теоретически и экспериментально показано, что генерация электронов пучка имеет место не только при больших значениях напряженности электрического поля, когда доля убегающих электронов велика, но и при малых полях, когда имеет место интенсивное размножение электронов. Причем при малых полях возможно
26
получение большого тока, хотя доля убегающих электронов относительно полного числа электронов при этом мала. В этих работах экспериментально исследованы режимы формирования электронного пучка при повышенном давлении в криптоне, неоне, гелии, азоте и смеси С02 - Ы2 - Не. Показано, что при изменении давления криптона от 70 до 760 Тор, неона от 150 до 760 Тор и гелия от 300 до 4560 Тор пучки формируются из убегающих электронов в тот момент, когда плазма в разрядном промежутке приближается к аноду и начинает выполняться нелокальный критерий убегания электронов. Сообщается о получении электронного пучка в атмосфере гелия с амплитудой 140А (плотность тока пучка более 10 А/см2) при энергии электронов ~ 150 кэВ [55]. В неоне при атмосферном давлении получен электронный пучок с плотностью тока пучка более 6 А/см2 [8]. При заполнении диода воздухом атмосферного давления получена амплитуда тока пучка более 240 А при длительности импульса на полувысоте ~ 0,2 не и плотности тока пучка ~ 40 А/см2 [22]. При формировании объемного разряда в открытом газовом диоде с коаксиальными электродами за счет наносекундных импульсов высокого напряжения получено жесткое рентгеновское излучение ( > 60 кэВ) [56, 57]. Показано также, что при высоких частотах следования импульсов (вплоть до 1,5 кГц) условия формирования сверхкоротких лавинных электронных пучков сохраняются.
В работе [58, 59] проведены исследования распределения по энергиям электронов пучка и рентгеновских квантов при объемном не разряде в воздухе атмосферного давления. Зарегистрировано несколько групп электронов с повышенной энергией. Показано, что основной вклад в амплитуду тока пучка, измеряемого за тонкой фольгой, дают электроны, имеющие энергию в десятки-сотни кэВ (меньшую амплитуды максимального напряжения на промежутке). Подтверждено, что быстрые электроны (с энергией в единицы-десятки кэВ) появляются на 100 - 500 пке раньше основного пика тока пучка и приводят к увеличению длительности импульса тока пучка и существенному увеличению его амплитуды. Электроны с
27
аномальной энергией (большей амплитуды максимального напряжения на промежутке) дают малый вклад в ток пучка (менее 5 %).
В теоретических работах [60-63] показано, что критерий убегания электронов для газа имеет принципиально нелокальный характер и соответствует ситуации, когда длина размножения электронов (обратный коэффициент Таунсенда) сравнивается с расстоянием между электродами. В работе [64] проведено моделирование ряда параметров лавины, порождаемой электроном в гелии при различных значениях Е/р. Показано, что современные представления о распределении плотности электронов в лавине справедливы лишь при сравнительно небольших значениях приведенной напряженности поля Е/р < 100 В/см-Тор. При Е!р > 100 В/см-Тор распределение плотности электронов вытягивается вдоль поля. На основе экспериментальных данных и теоретических исследований авторы обзоров [8, 22, 65] предлагают следующий механизм генерации пучка убегающих электронов в газах. Согласно [8, 22, 65] сначала в предымпульсе, имеет место слабая фоновая предыонизация объема быстрыми эмиссионными электронами, затем распространяется волна размножения электронов фона. Когда волна размножения подходит близко к аноду, выполняется нелокальный критерий убегания электронов и происходит генерация пучка убегающих электронов. В обзоре [22] авторами на основе простого уравнения, учитывающего размножение электронов, показано, что на некотором расстоянии от катода устанавливается независимое от пространственной координаты значение средней энергии электронов, даже если напряженность поля настолько велика, что трением электронов о газ можно пренебречь. Отсюда следует, что локального критерия убегания электронов недостаточно в случае, когда происходит размножение электронов. Приведены подтверждающие эту точку зрения результаты численного моделирования размножения и транспортировки электронов в гелии, неоне, ксеноне, азоте. При этом показано, что таунсендовский механизм ионизации (характеризуемый постоянной скоростью и энергией электронов в сочетании с экспоненциальным ростом числа электронов)
28
справедлив даже при таких полях, при которых трением электронов можно пренебречь. Важно только, чтобы расстояние между электродами намного превосходило длину размножения. Нелокальный критерий сильно отличается от принятого в настоящее время локального критерия. В частности, из этих критериев вытекают различные рекомендации для формирования электронных пучков в газах. Нелокальный критерий приводит к универсальной для данного газа зависимости критического напряжения исг(рс1) между электродами (при котором убегающие электроны составляют значительную долю) от произведения расстояния между электродами на давление газа р(1. Кривая исг(рсГ) отделяет область эффективного размножения электронов от области, в которой электроны покидают разрядный промежуток, не успев размножиться. Эта кривая имеет верхнюю и нижнюю ветви. Верхняя ветвь характеризует убегание электронов, нижняя -уход за счет дрейфа. На основе зависимости исг(рсГ) построены аналоги кривых Пашена £ДГ(рс1), характеризующих зажигание самостоятельного разряда. Они отличаются от известных кривых Пашена наличием верхней ветви. Обсуждаются эксперименты по получению пучков с субнаносекундной длительностью импульса и амплитудой в десятки сотни ампер при атмосферном давлении различных газов, а также реализация объемного не разряда с большой удельной мощностью возбуждения без предыонизации разрядного промежутка от дополнительного источника.
Однако, вышеизложенная теория, наиболее полно представленная в обзоре [22], находит ряд противников. Так, в работе [34], автор дает критический анализ нового механизма убегания электронов. В [34] показано, что предложенный в [22] «новый» критерий убегания электронов в плотных газах критерием убегания не является, а «верхняя кривая» зависимости Ц(рс1) не существует. Реален лишь Ъ - образный участок и(рсГ) в области малых рс1. Подвергаются сомнению «рекордные токи» убегающих электронов при р = 1 атм.
В работе [35] автор также рассматривает эффект убегания электронов и формирование электронных пучков в тлеющих разрядах. Здесь
29
аналитическими методами получен критерий, определяющий границу между пучковым и гидродинамическим режимами движения электронов в однородном и неоднородном электрических полях для таунсендовского и высоковольтного тлеющего разрядов. В пучковом приближении изучена функция распределения электронов по энергиям с учетом электронов, рождающихся в газе. В гидродинамическом приближении получен критерий, характеризующий убегание электронов и критерий перехода в пучковый режим движения. Показано, что кривая зажигания разряда на диаграмме 1)(рс1) существенным образом отличается от линии, разграничивающей пучковый и гидродинамический режимы движения электронов. Автор [35] указывает на не универсальность критерия убегания, предложенного в работах [22, 65] и подвергает сомнению существование второй правой (верхней по [22]) ветви на кривой Пашена, как пишет автор, полученной с использованием для определения условий зажигания разряда крайне упрощенной модели, где не учитывается вырывание электронов из катода быстрыми атомами и ионами. Когда именно эффект вырывания за счет кинетической энергии быстрых частиц приводит к существованию левой ветви кривой Пашена, вместо которой в [22] авторы ошибочно получили вторую правую ветвь.
Определенный интерес представляют и открытые разряды [26, 36-39], где получены пучки убегающих электронов в газах при средних давлениях и использованы в частности для накачки лазеров [66]. В исследованиях такого типа разряда также есть ряд дискуссионных вопросов относительно механизмов формирования электронных пучков в открытых разрядах, которые обсуждаются в работах [36, 37, 67, 68] и [38, 39, 69, 70].
В последние годы также появилось ряд новых работ по исследованию источников и параметров пучка убегающих электронов в наносекундных разрядах. В работе [71] при исследовании импульсного субнаносекундного разряда в атмосферном воздухе показано, что появление взрывной электронной эмиссии запаздывает по отношению к автоэлектронной на время Ю*10 с. В течение примерно такого же времени в воздухе