СОДЕРЖАНИЕ
Введение......................................................4
ГЛАВА I. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ РАЗРЯДА В ГАЗАХ
ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ............................................19
§ 1.1. Формирование начальных стадий стримсрных разрядов в газах
высокого давления..........................................19
1.1.1 Таунсендовские разряды..............................19
1.1.2. Стримерные разряды.................................23
§ 1.2. Устойчивость начальных стадий импульсных разрядов в газах
высокого давления........................................ 25
§ 1.3; Физические процессы в прикатодной плазме в импульсных
разрядах высокого давления.................................29
§ 1.4.Устойчнвость однородных объемных разрядов............40
ГЛАВА И. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................49
§2.1. Электрическая схема формирования высоковольтных импульсов
напряжения и инициирования разряда.........................50
§ 2.2. Регистрация электрических характеристик разряда.....54
§ 2.3. Регистрация пространственно-временного развития разряда 58
§ 2.4. Спектроскопическое исследование разряда.............60
ГЛАВА III. МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ РАЗРЯДА ПРИ
РАЗЛИЧНЫХ НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ.................................63
§3.1. Влияние прикладываемого поля на процесс формирования
разряда....................................................63
§3.2. Неустойчивость фронта волны ионизации катодонаправленного
стримера в гелии высокого давления.........................75
§3.3. Особенности формирования и развития начальных стадий
импульсного пробоя в аргоне................................84
§3.4. Кинетическая модель плазмы импульсного разряда в Аг атмосферного давления...................................100
3
ГЛАВА IV. ВЗРЫВНЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ЭЛЕКТРОДАХ И ФОРМИРОВАНИЕ УДАРНЫХ ВОЛН В ИМПУЛЬСНЫХ РАЗРЯДАХ
ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ.........................................111
§ 4.1. Физические процессы в прикатодной области импульсных
разрядов................................................111
§4.2. Взрывные процессы, инициирующие искровой канал....120
4.2.1. Формирование искрового канала в аргоне..........120
4.2.2. Особенности прорастания искрового канала в объемном
разряде в гелии........................................126
4.2.3 Взрывные процессы, инициирующие искровой канал...133
§4.3. Процессы расширения катодного пятна и формирование ударных волн в плазме объемного разряда в гелии атмосферного давления.... 143
§4.4. Сильноточный диффузный разряд в аргоне............156
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................163
ЛИТЕРАТУРА................................................165
Введение
Актуальность темы диссертации. Постоянное внимание к электрическим разрядам, развивающимся в газах высокого давления, обусловлено, прежде всего, их широким распространением и перспективами применения в новейших областях науки и техники. Импульсные разряды нашли применение в устройствах различного назначения: они используются при разработке быстродействующих коммутаторов тока [1-2], в импульсных источниках света, предназначенных для метрологии бьтстропротекающих процессов [3-4], в устройствах квантовой электроники [5-6], в работе многочисленных управляющих приборов-коммутаторов и размыкателей электрического тока, фотохимии и т. д.
Именно в подобных исследованиях были установлены классические механизмы пробоя - таунсендовский и стримериый [7-10]. Однако в связи с усовершенствованием современной техники эксперимента существенно расширился диапазон представлений об импульсных разрядах, развивающихся в плотных газах.
С одной стороны, это относится к более детальному изучению таунсендовского и стримерного механизмов [11-22], а с другой - к обнаружению новых фундаментальных закономерностей. В частности, при исследовании разрядов в активных средах эксимерных лазеров, а впоследствии и в чистых газах была обнаружена необычная форма разряда с объемным протеканием тока, в которой практически отсутствует контракция, - сильноточный диффузный режим (СДР) [23-27]. Несмотря на внешнее сходство (объемное однородное свечение), свойства разряда в объемной фазе и при СДР имеют существенное различие. Речь идет по существу о двух разных формах объемного протекания тока. Общее этих разрядов заключается в том, что результаты, полученные в них, можно использовать при решении проблемы создания активной среды газовых лазеров. Необычность СДР заключается в том, что в отличие от ОР, в нем фактически отсутствует контракция.
5
Проведенный анализ работ по пробою газов высокого давления показывает, что формирование искрового канала для таунсендовского, стримерного и объемного разрядов систематически исследовалось в молекулярных газах - воздухе, азоте, кислороде, водороде и т.д. Показано, что в процессе перехода от ОР к искровому существуют следующие фазы развития: квазистабильиый тлеющий разряд, ОР с катодными пятнами, ОР с катодными пятнами и привязанными к ним диффузными каналами, контрагированный искровой канал [28]. Несмотря на это, остается неясным, какие процессы ответственны за образование предыскрового диффузного канала, привязанного к катодному пятну при таунсендовском и объемном разрядах. Остается спорным и дискутируется вопрос о причинах, в силу которых ОР сменяется канальным.
С другой стороны, эксперименты [29-32] показали, что контракции ОР всегда предшествует появление на электродах яркосвстящихся образований, называемых катодными или анодными пятнами. В местах расположения таких пятен начинается прорастание тонких каналов с повышенной электрической проводимостью. Каналы растут в направлении противоположного электрода. Окончательное перемыкание одним или несколькими каналами разрядного промежутка приводит к необратимому переходу от объемной формы протекания тока к канальной, т.е. к контрагированию разряда.
Экспериментальное исследование и численное моделирование приэлектродных областей являются чрезвычайно сложной задачей, и теория* этой области к настоящему времени не является завершенной.
Исследование процесса эрозии и разрушения поверхности проводящего материала электродов в импульсных сильноточных разрядах, образования его вторичных микроструктур и изучение их характеристик представляет интерес не только с фундаментальной точки зрения, но и в связи с рядом инженерных проблем, в частности, определение стойкости
6
материалов при таковом воздействии; получение в результате эрозии микро -и нанопокрытий.
С другой стороны, наиболее важной областью СОР является область катодного падения потенциала, основные параметры (падение потенциала, толщина катодного слоя, плотность тока и т.д.) которой в литературе имеют достаточно широкий разброс. И поэтому определение этих параметров важно для понимания и уточнения механизмов контракции ОР.
В этой связи необходимо продолжить такие исследования, чтобы
понять природу плотных плазменных образований на электродах, выявить их
влияние на устойчивость ОР и уточнить понимание процессов формирования #
катодного слоя и образования канала. Это послужит основой для создания подробной- теории объемного разряда. Наличие в спектре прикатодной плазмы спектральных линий атомов и ионов материала электродов служит подтверждением возникновения катодных пятен1 и распыления* материала электродов [33-37].
Что касается стримерного пробоя, то экспериментальные наблюдения' стримерной фазы весьма многочисленны. Вместе с тем, скорость развития лавин так велика, что современные экспериментальные методы не позволяют разрешить пространственно-временную структуру даже в условиях относительно небольших перенапряжений. В этих условиях доступно только теоретическое исследование лавинной стадии. Однако теоретическое описание процесса разработано недостаточно и позволяет выявить лишь некоторые качественные закономерности. Отсутствует единое мнение как о механизме формирования, так и развитии начальных стадий стримерного пробоя.
Для атомарных газов, особенно гелия и аргона недостаточно изучен процесс формирования и устойчивого горения ОР и СДР, а также характер их контракции в искровой канал.
Так как эти газы широко используются в качестве буферных газов в активных средах газовых и эксимерных лазеров, а также в лазерах на
7
пеннинговских смесях инертных газов, то исследование формирования импульсного пробоя в этих газах атмосферного давления является весьма актуальной задачей.
Таким образом, в качестве примеров разнообразия имеющихся в этой области физики проблем, не получивших к моменту начала настоящей работы.должного объяснения, можно отнести следующие:
1. Ограниченность данных о механизмах формирования и» развития высокоскоростных ионизационных волн в коротких межэлектродных промежутках при высоких давлениях газа. Отсутствие в научной литературе надежных экспериментальных данных и единого .мнения, о механизме ветвления стримера и количественного и качественного его обоснования.
2. Недостаточность работ по развитию теории процессов, приводящих как к возникновению, так и потери устойчивости катодной плазмы в газах высокого давления в перенапряженных промежутках.
3. Многообразие элементарных процессов протекающих в ОР, трудность их экспериментального и теоретического исследования, а так же детального исследования, кинетики формирования спектрального состава излучения из. приэлектродной плазмы, формирующейся в режиме: распыления материала вещества электродов
4. Ограниченность экспериментальных и теоретических данных относительно физического механизма зажигания необычной формы разряда - СДР, в которой практически отсутствует контракция.
Естественно, приведенный перечень далеко не исчерпывает всех проблем, требующих своего разрешения.
Поэтому целью и главными задачами, которые ставил перед собой автор диссертации, были следующие:
1. На основе использования теоретических моделей, и получения необходимого объема экспериментальных результатов дать целостное, физически непротиворечивое описание начальных стадий- импульсного
8
пробоя в инертных газах высокого давления, позволяющее объяснить как различие в скоростях распространения ионизационных фронтов в Не и Аг, так и расслоение столба разряда в Не при высоких перенапряжениях на отдельные каналы.
2. Исследование динамики формирования ионизационных фронтов и развития искрового канала для таунсендовского, стримерного и объемного механизмов пробоя в инертных газах (Не, Аг) в широком диапазоне изменения начальных условий (величины поля, концентрации первичных электронов, давления газа, формы и материала электродов и т.д.)
3. Исследование спектрального состава излучения катодной плазмы и формирования ударных воли, обеспечивающих возникновение диффузных каналов, привязанных к катодным пятнам. Изучение процесса перехода объемного разряда в сильноточный диффузный режим.
4. Выявление роли различных элементарных процессов в общей кинетике образования заряженных и возбужденных частиц в плазме объемного разряда в аргоне атмосферного давления, а также разработка комплекса методик диагностики, позволяющих решить поставленные исследовательские задачи.
Объектами исследования явились свободнорасширяющиеся самостоятельные импульсные разряды в межэлектродных промежутках (1-3 см) в инертных газах (Не, Аг) в диапазоне давлений 1-5 атм и прикладываемых электрических полей 3-25 кВ/см.
Экспериментальные и теоретические методы исследования. Для решения поставленной задачи был использован комплексный подход к исследованию, включающий физические эксперименты и анализ их результатов на основе различных экспериментальных методов: электрических, спектральных и оптических (пространственно-временных) с высоким временным разрешением (»10 не). Концентрация электронов на стримерной стадии и на стадиях формирования и горения объемного разряда определялась по плотности тока, а на более поздних стадиях коммутации
9
измерялась по штарковским контурам спектральных линий водорода (Нр), гелия (Не II 468,6 нм) и аргона (Аг I 427,2 нм); температура электронов в искровом канале определялась методом относительных интенсивностей; характеристики оптического излучения плазмы исследовались методом лучеиспускания; концентрации возбужденных атомов аргона, ионов Ат+ »(основное состояние), эксимерных молекул Ат2, объединение многих разлетных и слабосвязанных состояний, молекулярных ионов Ат? (основное состояние) и Аг3+ (основное- состояние), рассчитывались теоретически на. • основе разработанных моделей и алгоритмов их реализации.
Информационную базу исследования составили научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, материалов научных конференций, семинаров.
Достоверность научных результатов и обоснованность научных положений базируется на использовании для выполнения измерений современных средств диагностики с высоким временным и пространственным разрешением, на фундаментальных физических законах, положенных в основу разработанных математических моделей, согласованности результатов численных моделей с имеющимися данными других авторов, систематичности экспериментальных и теоретических исследований в широком диапазоне начальных условий для различных газовых сред, соответствии результатов теоретических исследований результатам эксперимента.
Сочетание численных и экспериментальных методов исследования и их соответствие с имеющимися данными- других авторов подтверждает достоверность полученных результатов.
Научная новизна исследования. Большинство полученных в работе результатов исследований являются оригинальными и. получены впервые. Основные новые научные результаты работы состоят в следующем:
1. Проведено систематическое исследование оптических, спектральных и электрических характеристик импульсных разрядов в инертных газах (Не,
: 10
Аг) высокого давления и выявлены основные закономерности формирования ■> ионизационных фронтов и искрового канала в различных видах разрядов: таунсендовском, стримерном и объемном в диапазоне напряжений от статического пробойного до перенапряжений в сотни процентов.
2. На основе экспериментальных данных и теоретических расчетов при значительных перенапряжениях (\У>300%) в Не предложен механизм зажигания необычной формы объемного горения разряда - сильноточный диффузный режим, в котором практически отсутствует контракция и формируется за счет перекрытия тонких диффузных каналов привязанных к катодным пятнам. Диффузные каналы образуются- за счет ударных волн, формируемых в прикатодиой плазме за счет взрывных процессов в сильном электрическом поле Е= 106 В/см.
3. Разработаны и обоснованы вычислительные алгоритмы для моделирования импульсного разряда в Аг атмосферного давления и изучена кинетика образования заряженных и возбужденных частиц в плазме объемного разряда в Аг.
4. Получены экспериментальные и теоретические результаты по развитию неустойчивости фронта волны ионизации на начачьных стадиях стримерного пробоя в гелии атмосферного давления. Впервые в Не экспериментально обнаружено явление ветвления катодонаправлепного стримера в коротких перенапряженных промежутках, а также дано качественное обоснование физического механизма этого процесса.
5. Для импульсного разряда в Аг экспериментально показано, что стримерный канал инициируется ярким свечением, появляющимся в точке критического усиления лавины на различных расстояниях от катода в зависимости от перенапряжения. Экспериментально измерены предпробойные токи для таунсендовского и стримерного механизмов пробоя в Не, Аг и изучены особенности формирования искрового канала для этих механизмов.
11
Научная и практическая ценность работы определяется актуальностью темы и научной новизной полученных в диссертации результатов. Результаты выполненных комплексных экспериментальных и теоретических исследований будут способствовать дальнейшему развитию физических представлений об импульсных разрядах, развивающихся в газах высокого давления (порядка атмосферного), в частности, объяснению наблюдаемых больших скоростей распространения фронтов свечения в плотных газах, распространения ионизации в сторону катода и получения объемных форм разрядов при атмосферных давлениях, используемых для инициирования газовых лазеров.
Полученные в работе новые результаты о характере контракции объемного разряда и режимах горения сильноточного диффузного разряда могут быть использованы для устранения неоднородности плазмы и улучшения' характеристик газовых лазеров и систем- их инициирования, а также позволят изучить кинетику развития разряда, моделировать развитие различных стадий пробоя в широком диапазоне изменения начальных условий.
На защиту выносятся:
1. Экспериментальные результаты, позволяющие обобщить качественные представления о развитии начальных стадий искровых разрядов в инертных газах (Не, Аг), механизмы и скорости их распространения при различных давлениях и эиерговкладах, а также граница по напряжению, выше которой происходит смена механизма пробоя от таунсендовского к стримерному.
2. Экспериментальные и теоретические результаты по развитию неустойчивости фронта волны ионизации на начальных стадиях стримерного пробоя в гелии атмосферного давления, а также качественное обоснование физического механизма обнаруженного впервые в Ые экспериментально явление ветвления катодонаправленного стримера в коротких перенапряженных промежутках, экспериментальное определение критических
размеров стримера 1^ и время его ветвления для различных значений энерговклада в разряд.
3. Результаты детального изучения кинетики образования заряженных и возбужденных частиц в плазме объемного разряда высокого давления в аргоне и роль процессов, диссоциативной рекомбинации с участием молекулярных комплексов Аг~2 и Аг’з в общей кинетике развития разряда,
^которые являются преобладающими рекомбинационными процессами, обеспечивающие однородность и устойчивость объемного горения импульсного разряда.
4. Механизм зажигания необычной формы объемного горения разряда -сильноточный диффузный режим в Не, формирующий в промежутке при значительных перенапряжениях (>У>300%), в котором практически
о
отсутствует контракция- и формируется за счет перекрытия тонких диффузных каналов привязанных к катодным пятнам. Диффузные каналы
образуются за счет ударных волн, формируемых в при катодной плазме за
' 6 счет взрывных процессов в сильном электрическом поле £=10 В/см.
Личный вклад автора. Личный вклад автора в работы, на основе которых написана диссертация, является определяющим. Постановка задачи, результаты экспериментов и расчетов, представленные в диссертации, анализ всего цикла работ, выводы диссертации. и основные положения, выносимые на защиту, выполнены совместно с научным руководителем.
Апробация результатов исследования и публикации. Материалы, содержащиеся в настоящей диссертационной работе, докладывались на ежегодных научных конференциях ФФ ДГУ, на V Всероссийской конференции по физической электронике (Махачкала, 2008), на VIII Международной конференции по Волновой электрогидродинамике проводящей жидкости. Долгоживущие плазменные образования и малоизученные формы естественных электрических разрядов в атмосфере (Ярославль. 2009), на II Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов Российских
13
вузов» (Томск, 2009), на XXXVII Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2010), а также На научных семинарах ДГУ.
Публикации. Основные материалы диссертационной работы отражены в 6 печатных работах, в том числе в 2 статьях в центральных научных журналах из Перечня ВАК, 4 тезисах докладов на Всероссийских и Международных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 179 страниц, включая 40 рисунков-и 10 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 162 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы основные задачи и цели исследования, а также основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна полученных результатов. Приводится краткое содержание диссертации.
В первой главе, состоящей из 4 параграфов; приводится обзор работ, в которых получены экспериментальные и теоретические результаты, описывающие формирование таунсендовского, стримерного и объемного разрядов в газах высокого давления. Особое внимание уделяется как моделям, описывающим начальные стадии пробоя, так и формированию объемного разряда и его контракции в искровой канал.
Отмечается, что широко применяемые электрофизические, оптические методы диагностики (спектральные, ФЭР и СФР-граммы и т.д.) в целом позволяют извлечь информацию о пространственно-временной структуре разряда, проследить переход одной формы разряда к другой, оценить параметры плазмы разряда и описать эти явления на основе различных моделей.
Описаны условия, определяющие режим формирования и стационарного горения ОР. Показано, что наличие предыонизации газа является одним из необходимых условий зажигания объемного разряда,
14
длительность и устойчивость которого ограничивается неустойчивостями, возникающими в приэлектродных областях.
Во второй главе диссертации приводится описание экспериментальной установки и методов измерения параметров плазмы (электрических, оптических и спектральных) импульсного разряда в Не и в ,Аг атмосферного давления. Диагностический стенд включает в себя вакуумную систему с остаточным давлением («1(Г3 Topp), спектрографы (СТЭ-1, ДФС-458 С), монохроматоры (ДМР-4, МДГТС-3), генератор импульсов напряжения (амплитудой до 30 кВ) и фронтом нарастания «10 не), фотоумножители (ФЭУ-29, ФЭУ-30, ФЭУ-77. ФЭУ-79. ФЭУ-87), разрядные камеры с кварцевыми окнами, скоростные, цифровые и высоковольтные осциллографы (C8-I4. CI-75, Актаком-2150, OK-2I), систему синхронизации (ГИ-1) и предыонизации (создаваемое плотность электронов n0«107- 108 см'3). Здесь же приводится описание фотоэлектрического метода записи спектра 'излучения разряда с временным разрешением «10 не. Обосновываются также основные методики измерений, и анализируются их погрешности.
В третьей главе диссертации рассматриваются современные представления о развитии начальных стадий электрического пробоя газов высокого давления (§3.1). Представлены результаты исследования влияния таких начальных условий, как прикладываемое поле, интенсивность инициирующих факторов на развитие разряда в инертных газах (Не, Ar) высокого давления. Представлена общая картина развития ионизационных процессов, определены параметры плазмы на стадиях формирования в различных газах. Рассмотрены волновые процессы на этих стадиях.
Из оптических картин формирования стримерного пробоя в гелии (§3.2) определены зависимости скорости распространения стримерного канала как от пробойного напряжения, так и от давления. Кроме того, динамические картины свечения промежутка позволили определить наличие двух ионизационных фронтов в гелии:
15
- первый фронт (начальная стадия), регистрируемый с началом резкого
*1 о
„спада напряжения, распространяющийся со скоростью 10-10 см/с в
• зависимости от пробойного напряжения;
- второй фронт - искровой канал, регистрируемый со вторым спадом
• напряжения и распространяющийся со скоростью 10б см/с.
Фронт волны ионизации, формирующий начальные стадии стримерного пробоя оказывается неустойчивым. Поэтому в §3.2 обсуждаются
• экспериментальные и теоретические результаты по развитию неустойчивости фронта волны ионизации на начальных стадиях стримерного пробоя в гелии атмосферного давления. Здесь же показано, что отличительной-особенностью стримера является его неустойчивость, заключающая в способности по мере продвижения стримера ветвлению. Экспериментально показано, что ветвление катодонаправленного стримера происходит при достижении им некоторого критического размера, и развивается быстрее, чем стример достигает противоположного электрода.
Экспериментально определены критические размеры- стримера 1кр, при которых происходит ветвление. В частности, при- ио=Ю кВ критическая длина составляет 1кр~ 7 мм, а при и0=14 кВ - 1кр~ 5 мм. С ростом величины прикладываемого поля уменьшается критическая длина стримера, при которой происходит ветвление, а также время ветвления, а также дано качественное обоснование физического механизма этого процесса.
В §3.3 представлены экспериментальные результаты формирования и развития начальных стадий импульсного пробоя в Лг атмосферного давления при таунсендовском и стримерном механизмах пробоя для различных начальных условий. Показано, что стримерный канал в аргоне инициируется ярким свечением, появляющемся в точке критического усиления лавины на различных расстояниях от катода в зависимости от перенапряжения. Экспериментально измерены предпробойные токи для таунсендовского и стримерного механизмов пробоя и изучены особенности формирования искрового канала для этих механизмов
16
Высокая плотность тока в области яркого свечения свидетельствует о наличии множества параллельных стримеров, соединяющих яркое свечение с электродами. Наличием множества стримеров (последовательности стримеров) можно объяснить и слабую интенсивность свечения катодных пятен. Значение плотности тока в области яркого свечения на порядок
О О
превосходит значение плотности тока в стримерных каналах (—10 А/см ). Отсюда следует, что яркое свечение замыкается на электроды десятками стримерными каналами.
В §3.4 анализируются результаты детального исследования кинетики образования заряженных и возбужденных частиц в плазме объемного разряда в Аг высокого давления1 и выяснена роль процессов диссоциативной рекомбинации с участием молекулярных комплексов’ Аг+2 и Аг+3 в общей кинетике развития разряда, которые являются преобладающими рекомбинационными процессами, обеспечивающие однородность и устойчивость объемного горения импульсного разряда, а также обоснованы и разработаны вычислительные алгоритмы для его моделирования.
Четвертая глава посвящена результатам исследования роли взрывных процессов на стадии формирования разряда. Рассматриваются разряды при различных начальных условиях и в различных газах.
Физические процессы, протекающие в прикатодной области импульсных разрядов рассмотрены в §4.1. Показано, что процесс контракции состоит из трех последовательных стадий: а) явлений, предшествующих микровзрыву; б) собственно микровзрыв и образование плазменного сгустка; в) прорастание канала.
В приэлектродной области разряда неизбежно формируется высокое значение напряженности поля, которое расчет с ростом плотности тока вблизи катода. В конечном итоге это приводит к переходу от однородной формы горения к контрагированному разряду. Показано, что катодный слой неустойчив к флуктуациям плотности тока разряда. В результате развития неустойчивости плотность тока на отдельных участках катода возрастает,
- Київ+380960830922