ОГЛАВЛЕНИЕ стр.
ВВЕДЕНИЕ 12-
ГЛАВА I.
ОБЩНОСТЬ И РАЗЛИЧИЕ ФЕНОМЕНОЛОГИИ ОДНОЭЛЕКТРОД-НОГО ИМПУЛЬСНОГО ТЛЕЩЕГО РАЗРЯДА (РАЗРЯДА УНИПОЛЯРНОГО ПРОБОЯ ГАЗА (УПГ) С ЕДИНСТВЕННШ ВНЕШНИМ ЭЛЕКТРОДОМ) С ИЗВЕСТНЫМ РАЗРЯДНЫМИ ПРОЦЕССАМИ. МЕХАНИЗМЫ РАЗВИТИЯ РАЗРЯДОВ. ВЫВОДЫ.
20-11
§ 1.1. Условия прсбоя газа. 20
1.2.1.Тлеющий разряд - результат эмиссии электронов с катода и развития электронной лавины в двухэлектродной системе. 23
1.2.2. Продольная структура тлеющего разряда. 25
1.2.3.Поперечная приэлектродная структура тлеющего разряда.
28
§ 1.3. Стримерный пробой газа. 29
I.3.1.Определение понятия стримера. 29
1.3.2.Фотоионизация газа и развитие стримерного канала.
1.3.3.Аналитические модели стримера и его основные параметры.
30
Зі
§1.4. ВОЛНОВОЙ пробой газовых промежутков. 43
1.4.1.Волновой пробой разрядных промежутков с предварительной ионизацией газа и без неё.
1.4.2.Свойства волнового прсбоя газа,
а.Скорость распространения волны ионизации (волны
43
44
3
53
59 '
градиента потенциала). 4$
б.Результаты экспериментальных исследований "ионизующих волн градиента потенциала" (волн пробоя) в длинных трубках. у9
в.Теоретические механизмы волнового пробоя.
§ 1.5. Выводы из рассмотрения результатов экспериментальных и теоретических исследований рассмотренных механизмов пробоя газа (таунсендовского, стримерного и ионизующими волнами градиента потенциала) .
ГЛАВА II
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСЛОВИЙ ВОЗБУЖДЕНИЯ ОДНОЭЛЕКТРОДНОГО ИМПУЛЬСНОГО ТЛЕЭДЕГО РАЗРЯДА (РАЗРЯДА УНИПОЛЯРНОГО ПРОБОЯ ГАЗА (УПГ) С ОДНИМ ВНЕШНИМ ЭЛЕКТРОДОМ)
§2.1. Униполярный пробой газа в металлических трубках, или в стеклянных трубках, имеющих сплошное внешнее метаишческое покрытие.
2.1.1. Область существования УПГ в координатах давления и импульсного высоковольтного потенциала.
2.1.2. Свечение УПГ по сечению трубки при возбуждении УПГ через внешнее покрытие-электрод (ПЭ)цилиндрической геометрии.
2.1.3. Наблюдения за продольной и радиальной геометрией области свечения (ОС) при использовании в
62
62
69
качестве покрытия-электрода (ПЭ) из мелкой металлической сетки.
Униполярный пробой газа в. длинных стеклянных
%
трубках.
Организация экспериментов о УПГ в объемах длинных трубок.
Изменение тока во вторичной обмотке генератора при изменении основных параметров разряда УПГ-давления газа и амплитуды импульсного потенциала на покрытии-электроде ПЭ.
Поляризация поверхности стеклянных трубок при поступлении импульсного напряжения на металлическое покрытие, находящееся в контакте с этой поверхностью.
Ток зарядов, пребывающих на поверхности ПЭ за время нахождения на ней единичного импульса потенциала.
Зависимость между амплитудой импульсного потенциала «?„, давлением газа в объеме УПГ и зарядом Зпэ> определяемым стекающим с ПЭ током 13 ("ВАХ” разряда).
Продольная структура свечения газа в его объеме зблизи ПЭ при наличии на нем импульсного потенциала.
Общая протяженность 1р объема разряда УПГ. Зависимость 1Р от давления газа.
Зависимость 1р от размеров и геометрии покрытия-электрода (ПЭ).
5*
в. Связь между геометрией области свечения (ОС) под ПЭ, радиусом трубки гТр и общей протяженностью разряда 1р.
г. Периодичность в изменении протяженности 1р раз-ряда УПГ при монотонном изменении давления газа в объеме трубки.
2.2.8. Скорость ур продольного распространения УПГ.
а. Методика измерения.
б. Зависимость чр от давления газа р и амплитуды импульсного потенциала
2.2.9. О температуре газа и стенок камера.
2.2.10.Длительность послесвечения газа.
2.2.11.Характер светового излучения из объема разряда УПГ.
2.2.12.Темновая фаза разряда УПГ, ее зависимость от условий возбуждения разряда.
§2.3. Исследование волны потенциала, регистрируемой на поверхности трубки с разрядом УПГ.
2.3.1. Форма импульсов потенциала, снимаемого зондами с поверхности трубки на протяженности разряда УПГ, и ее зависимсеп.от параметров возбуждения разряда.
2.3.2. Влияние давления газа в объеме трубки на полярность зондового сигнала ф3, снимаемого с ее поверхности.
2.3.3. Наблюдения цуга волн поверхностного потенциала
92
94
94
96
/02
юг
юг
/оь
т
10*
/07
є
Фз и последовательного изменения в интенсивности свечения газа в объёме трубки в течении длительности одного разнополярного импульса потенциала произвольной Форш на ГО. ///
2.3.4. Радиальные изменения границы ОС газа у внутренней поверхности торцевой стенки трубки за длительность одного импульса потенциала на торцевом ПЗ.
//з
ГЛАВА III.
ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ОБЪЕМА РАЗРЯДА УНИПОЛЯРНОГО ПРОБОЯ ГАЗА (УПГ)
§ 3.1.1. Организация экспериментов по исследованию излучатель ных свойств УПГ. 116
3.1.2. Импульсы потенциала ф£, фиксируемые на поверхности трубки и распространяющихся по ее длине волной потенциала. 117
3.1.3. Влияние площади зондов на параметры потенциала, измеряемого на поверхности трубки. 116
3.1.4. Влияние площади поверхностного покрытия-электрода (ПЭ) на величину потенциала, снимаемого с поверхности трубки на протяженности разряда УПГ. 12/
3.1.5. Влияние частоты импульсов зысокозольтного потенциала Фда поступающих на ПЭ, и давления газа р на величину потенциала ф3 на поверхности трубки.
3.1.6. Наведение зарядов и потенциала фг на поверхности
12/
зондов при их радиальном удалении г от поверхности трубки с разрядом УПГ.
3.1.7. Радиальное излучение с локальной облает поверхности тр>бки. выделенной на общей протяженности: разряда мсталичсскими экрангми.
3.1.8. Испсшкхжшшс объема с разрядом УГП' в качестве источника зарядов в ебьемах проводящих вотдсых растворов.
§3.2 Акустические явления, сопровождающие возбуждение разряда униполярного пробоя газа
3.21. Етияние полярности импульсов высоковольтного потенциала, поступающих на ПЭ, на генерацию акустических колебаний в газе внутри трубки
3.22 Гашение акустичесих котЕбаний в объеме с УПГ изменением длительности импульсов высоковольтного потенциала, поступающих на второй ПЭ.
3.23. Частотный диапазон звуковых колебаний, возбуждаемых при УПГ в объемах цилинприческэй геометрии.
3.24. Возбуждение звуковых колебаний импульсами потенциала произвольной формы
3.2 5. Возбуждение акустических колебаний в трубках, полностью покрытых металлическим экраном.
3.26. Возникновение резонансных колебаний газового объема при УПГ а Влияние амплитуды импульсного потенциала на ПЭ на раскачку резонансных колебаний.
б.Влияние длительности импульсного потенциала на ЛЗ да рескачку колебании в объеме газа под поверхностью ПЭ.
3.27.0пошк газовой среды на одновременное и разнесенное во времени локальное воздействие на ПЭ импульсов потенциала противоположной полярности.
ГЛАВА IV.
УСТАНОВЛЕНИЕ МЕХАНИЗМА РАЗВИГИЯ ОДНЭЭЛЕКТ-РОДНОГО ИМПУЛЬа ЮГО РАЗРЯДА У1 игюляи юго ПРОЮЯ ГАЗА
§4.1. Какую информацию несут оптические и электрические методы
регистрации импульсов поверхностного <рг и пространственного <р, потенциала, а также акустические методы регистрации перепадов давлали газа в обьте разряда УПГ? /2 о
4.2 Общность феноменологии эффекта Ганна, релаксацион-ных кодабаний в газовом разряде и развития разряда \1Г
4.21.Объемный характер эффекта Ганна
4.2.2.Устювия общности физики явлений эффекта Г анна и релаксационных колебаний в газовом разряде.
4. а Наследование зависимости времени перемещения объемного заряда (домена) от длительности процесса от напряжения на электродах.
4.в. ГЬмснснис частоты роиссационных колебаний и температуры гява на пути движения домена
§4.3. Общность условий возбужден™ и феноменологии диэлектрического барьерного разряда (ДБР) на границе существования разряда УПГ по максимуму давления.
4 3.1.Общность в геометрии возбуждения разрядов.
165
т
І6І
4.2 3. Экспериментальная установка и методика экспериме« па.
З.аВакуумная часть установки. і66
З.б.Схема регистрации перемацения доменов. /65
4.24.Результатыікследования разрядногопроцесса, анало- >//•
тчного эффекту Гаши в полупроводниках.
165
4.6. Ихэтедование зависимости влияния диаметра трубок и
удаления от электрода с отрицательным потенциалом на время перемещали домена /^7
/72
т
4.3.2.Микроразряды и осаждение зарядов на диэлектрических (стеклянных) стенках камеры (трубки). 1 оО
4.3.3 Сравнение развили ДБР и разряда УПГ в области макасиа.ьных для его существовгвия давлений.
/84
§ 4.4. О природе импульсов д авления большой амплитуды, воспринимаемых стенкой трубки при возбуждении разряда УПГ.
4.4.1. Условия дли появления импульсов д авления на стенку разрядной трубки.
§4.5. Периодичность формирования свободных объемных зарядов (СОЗов) в разряде УПГ.
4.5.1. Взаимосвязь между параметрами возбуждения разряда УПГ и размерами объемного заряда СОЗа
1.а Равенство объема ООЗа и объема области свечения под поверхностью внешнего цилиндрического ПЭ.
1.6.Изменение геометрии единичного СОЗа (от геометрии сферы до геометрии цилиндра со сферическими торцами) при изменении параметров возбуждения разряда УПГ:
-амплитуды импульсного потенциал ^наГО,
- длительности импульса г„;
- геометрии и гоющади ГО;
- давления газа р\
- радиуса трубки гг;
4.5.2Экспериме1гтальшле условия для непрерывной генерации нескольких СОЗов задлителыюегь одного импульса потенциала на ПЭ.
2. а Области непрерывной генерации СОЗов в границах
существования разряда УПГ.
2.6.Изменение режима генерации СОЗов при изменении (или-или):
-площади ПЭ;
-амплитуды импульсов потенциала <рт
на ПЭ ,
-давления газа р\
-длгаелькосш единичного импульса <Рпз на ГО.
4.5.3 Рол> различных механизмов в развитии колебательного процесса в нейтральной плотности слабоиониэованного газа
2аОцеика затухания звуковых волн.
т
т
т
/9/
/9!
/92
/99
/99
20/
206
2.6. Г^эоверка возможного усиления звуковых колебаний в езибоиониэованной плазме.
§ 4.6. Цепь тока разряда УПГ.
4.6.1. Положения электродинамики Мвксяегою и условия появления истоке® и стоков полей Ё и б; цепь тока в отсутствии разряда.
4.6.2 Роль поверхности ПЭ в емкостном харасгере развития разряда УПГ.
аЦхщессы на ПЭ и в объеме газа вбдази него.
б. Образование объемных зарядов (Об) и области свечения газа под поверхностью ПЭ.
в. Связь между потенциалом поверхности ПЭ и объемным зарядом электронов под этой поверхностью.
4.6.3.Г|юцеос рождения (формирования) нескомпенсированных. свободных объемных зарядов (ООЗов).
4.6.4. Деление газа и платность энергии газовой среды.
4.6.5. Цхятесс продоллого движения ООЗов; заряд на внутренней поверхности стенки.
4.7. ГЪле на поверхности трубки и внутри нее. Величина заряда и его плотности в границах ООЗа
4.8. Излучение электромапштнога поля поверхностью обт^сма с разрядом УПГ.
4.9. Уменьшение размеров ООЗов в процессе их продольною движения на протяженности объема разряда УПГ.
§ 4.10. Сравнение результатов экспериментальных исследований с предлагаемой моделью разряда
4.10.1. Емкостной подход к развитию разряда УПГ.
4.10.2 Г|х)цесс формирования под поверхностью ПЭ объемных зарядов электронов.
4.10.3. Процесс выделение объема для локализации в нем сво
2/0
2/7
2/7
22/
22/
222
224
225
227
25С
253
236
240
243
244
247
бодного заряда электронов.
4.10.4. Начальный этап развитая разряда УПГ.
4.10.5. Проникновение ("втягивание”) электрического поля в объем газа под поверхностью ПЭ цилиндрической геометрии.
4.10.6. Взаимосвязь между параметрами возбуждения разряд а УПГ. Выводы
ГЛАВА V.
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ БЕЗЭЛЕКТГОДНЭГО.
РАЗРЯДА УПГ
§5.1. Использование излучательных свойств разряда УПГ в технологии получения полупроводниковых материалов
5.1. ГПереаккгивы использования свойств разряда УП1' в технологии получения полупроводниковых материалов.
§ 5.2 Использование излучательных свойств разряда УПГ при плазмохимических факельных процессах.
§ 5.3. Использование излучатепьных свойств разряда УПГ при воздействии на металлическую поверхность факторов импульсного разряда в воздухе.
§ 5.4. Использование иалучательных свойств разряда УПГ при контроле за водными стоками технологических процессов.
§ 5.5. Стимулирование процесса прорастания семян хлопчатника обработкой излучением разряда УПГ'.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ
247
25/
253
255
265'
272
274
272
226
290
295
301
312
ВВЕДЕНИЕ
В досссрташонной работе экшерименталыго исследуется открытое автором явление униполярного пробоя газа (УПГ) в длинных (более 4 метров) трубках низкочастотными ( порядка 1 кГц) импульсами высоковольтного (<7 кВ) потенциала, поступающими да единственное покрьгше-элекгрод (ПЭ), размещаемый на внешней поверхности стеклянной стенки трубок; устанавливается механизм развития разряда УПГ, рассматриваются области практиче-ского использования его свойств.
Завершение исследований, представленных в диссертационной работе, финансировалось грантами Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации Хй 98Гр-9б и № 96-26-3.6.
В основе лазерных технологий, определивших за посдощгие десятилетия общий технический прогресс, лежит физика явлений, происходящих в газовых разрядах с непрерывным и импульсным под водом электрической энергии. Однако природа, механизм целого ряда таких явлении, особенно тех, которые происходярпри быстрых стадиях электрического пробоя и сопровождаются образованием волны ионизации, волны градиента потенциала, эффективно возбуждавшей ионизующей газ в разрядном промежутке, не является окончательно установленным и убедительным с точки зрения фундаментальных законов физики. И сейчас еще можно повторить слова, сказанные более 10 лет тому назад исследователями волн пробоя [3]: "... единой точки зрения о механизме образования волны в настоящее время нет”. Тоже самое можно сказать и о механизме развития импульсного безэластродного разряда Неизвестны. например причины, из-за которых в газовом объеме, отделенным диэлектриком (стеклянной стенкой) от электрода с импульсным потенциалом, происходит переход безэлектродного разряда в такую форму [16] "...как будто включаются процессы вторичной эмиссии с поверхности изоляторов. Без-элоародаый разряд становится похожим на настоящий электродный".
/з
Обзор результатов исследований разрядных процессов, феноменалогия которых близка к феноменалоіии разряда УПГ, и теоретических построений, объясняющих механизмы развития этих процессов, показал, что наблюдается целый ряд явлений, которые существующая теория обьяшшь не может. В тлеющем разряде это, например, эффект нормальной плотности тока изменение площади токового пятна да поверхности катода соответственно изменению тока разряда когда плотность тока у«//5с зависит только от давления и рода газа, от материала катода Толщина катодного слоя и падения катодного потенцдати на слое от тока не зависят. Теория не может объяснить одновременное существование да катоде двух областей, одна из которых является токовым пятнам и через нес идет ток, в в соседней с ней области нет и токового пятна, и тока через нее. Выполнение в тлеющем разряде под действием каких-то неизвестных сил природы принципа “Минимума мощности'’, предложенного Шгеенбеком в 1932 году, не следует га фундаментальных ззт'очоз природы Не объясняется существующей теорией взаимное отталкивание катодных пятен, их распределение по поверхности катода в дуге низкого давления; нет объяснения и механизма высокоскоростных струй плазмы га этих пятен
Теория не может объяснить наблюдение в объеме разряда УПГ вблизи покрытия-электрода (ПЭ), размещаемого по наружной поверхности стенки трубки, такой же структуры свечения гша, что и в тлеющем разряде, в котором се образование объясняется разнесением в пространстве и во времени процесса лавинного размножения в продольном нож разрядного промежутка эмкпируечых с катода электронов. В разряде УПГ нет такого катода (холодная стеклянная стенка), нет и продольного разгоняющего поля.
Не может объяснить развитие разряда УПГ и теория одноэлеюродного разряда, в которой его развитие объясняется распространением волны ионизации постоянного потенциала (волны градиента постоянного потенциала): профиль светящегося столба разряда УПГ на всей его длине может иметь коническую форму.
••
К объяснению развития разряда УПГ нельзя привлечь и механизм появления на границе плазмы и диэлектрика локализованного плазменного образования (солитона поля), возникшего в результате локального пространственного разнесения зарядов противоположного знака - Развитие разряда УПГ происходит без предварительной ионизации газа, свечение газа на всей длине разрядного столба может бьпь обусловлено только возбуждением атомов и молекул газа, являющимся следствием прохождения объемного заряда только одного, отрицательного, знака
В обзоре теоретических и экспериментальных работ показывается, что наиболее близок по своей феноменологии к разряду УПГ двухэлеаородиый волновой пробой в длинных разрядных промежутках Однако теория этого пробоя требует наличия вблизи потенциального электрода опредегашой первоначальной концапраыки электронов, последующее продольное смещение которых и приводит к образованию волн пространственного заряд а и его перенос в продольном направлении трубки. Существующая теория не имеет корректного объяснения механизма появления таких электронов, также, как и свободных элэоронов впереди волны градиента потенциала, не объясняется и причина большой скорости движения этой волны.
Теория волн пробоя не объясняет наблюдения максимальной скорости волны и минимального ее затухания при постоянном давлении газа, независящем от радиуса трубки; не объясняет причину существования одинакового отношения между пробивным напряжением и максимальным давлением газа (выполнения закона подобия) для трубок различных радиусов.
В существующих теориях стримерного пробоя газа не ясен механизм подвода энергии к головке стримера для поддержания сс заряда Рождение готовки не связывается с процессами на катоде, - между ним и головкой отсутствует гальваническая связь. Тоже самое наблюдается и в разряде УПГ: по длине разрядной трубки может проходить единичный объемный заряд только одного, отрицательного знака, оставляя после себя только возбужденные атомы и молекулы газа
/£
Вьнлсизложеннос показывает важность исследования механизма развития разряда УПГ, его непосредственное отношение к природе физических явлений, наблюдаемых во многих разрядных процессах, особенно в тех, феноменология которых сходна с разрядом УПГ, а практическая значимость которых определяется их влиянием на развитие современных технологий, на технический прогресс в целом.
Предметом настоящего исследования является установление природы самостоятельности и стационарности разряда униполярного пробоя газа (УПГ) в длинных (>Фд) трубках, возбуждаемого электрическими импульсами од ной полярности на единственном покрытии-электроде (ГТЭ), размещаемом на внешней поверхности стеклянной стенки трубки; установление всех стадий механизма развития разряда УПГ.
ЗиЗзщаяцовщда.
В диссертации исследуется новый тип разряда - разряд униполярного пробоя газа (УГ1Г) с единственным покрытием-электродом (ПЭ), размещенным снаружи стеклянной стенки длинной (> 4 м) трубки.
При этом:
-проведены первые систематические исследования явлений, сопровождающих пробой газа импульсным потенциалом на единственном изолированном электроде;
-впервые для объяснения разрядного процесса предложено ввести понятие плотности энергии газовой среды Wr и обоснована возможность ее определения через давление газа р; при этом Wr соотносится с об потенциальным полем Ег (Жг -Ар- O.SSpEp, Er - {1Ар/с0)р X
-впервьк три исследовании разрядных процессов с нормальным состоянием воздушной атмосферы (р0 = 760 Topp, Та = 273 К ) предложено соотносить нормальную плотность ей энергии wQ = Ара = р^, ‘'нулевой” потенциал пространства <р0 с "Нулевой” плотностью его заряда р0> и его поле
/6
Е0 - (^Аро/воУ, являющиеся теми аддитивными постоянными, на фоне которых локальные изменения в 1¥0 ( и р0) приводят к появлению локальных полей Е и потенциагюв <р;
-впервые при объяснении развития разрядного процесса предложено соотносить с адной молекулой разреженного газа два различных объема пространства: объем УтТ = ЯТІ Ар - достаточный для сохранения молекулой ее
тепловой энергии и объем ущ = (4/3)^/2] (~р-3), который в действительно-сти приходится на одну молекулу;
-впервые для объяснения проникновение поля в объемы разреженного газа в замкнутых метатіических оболочках цилиндрической геометрии предложено и обосновано рассматривать поверхность ПЭ с импульсным потенциалом на нём в качестве источника одновременно и потенциального, и вихревого поля;
-обнаружен и исследован эффект излучения поверхностью объёма с разрядом УПГ импульсного электрического поля с частотами, кратными частоте возбуждающих импульсов потенциал, а также наведения электрических зарядов в воздушной и водных средах, окружающих объем с разрядом,
-обнаружен эффект излучения поверхностью объёма разряда УПГ электромагнитного поля в диапазоне коротких и длинных волн;
-установлена природа аїльних (порядка стационарного давления газа) акустических колебаний, возбуждаемых в разряде УПГ;
-обнаружено явление смещения газовой среды из остального объема разрядной трубки в объем области свечения газа под поверхностью цилиндрического ПЭ при поступлении на него импульсов потенциала отрицательной полярности.
Иел> последования диссертационной работы
На основе анализа результатов экспериментов с разрядом униполярного пробоя газа (УПГ) и теоретических механизмов известных разрядных процессов предложить модель механизма развития разряда УПГ.
/7
Для этого в работе решаются следующие конкретные задачи;
1. Анализируются результаты экспериментальных исследований стационарных и импульсных газоразрядных процессов, имеющих общую феномс-налогию с импульсным разрядом УПГ.
2.Устанавливаются границы существования разряда УПГ (в координатах давления газа и амплитуды импульсного потенциала на ГО, <р*{р)\ возбуждаемого в разреженном газе внутри цилиндрических ьтетатгогчежих трубок, или в стеклянных трубках со сплошным металлическим покрытием.
3. Исследуется влияние параметров возбуждения разряда (давления газа р, амплитуды <Ри и длительности г, импульса потенциала на ГО, площади ^лэ ПЭ, радиуса г, трубки) на геометрию области свечения газа и локализации пространственного заряда под цилиндрическим ПЭ.
4. Исследуется процесс рождения (формирования) в объеме газа вне ПЭ свободного объемного заряда, СОЗа; исследуется зависимость сто объема
от размеров обдасш свечения газа непосредственно под поверхностью ГО.
5. Устанавливается закономерность в изменении размеров объема
СОЗов при их продольном движении по объему газа внутри трубки.
6. Устанавливается зависимость скорости и протяженности продольного перемещения СОЗов от параметров возбуждения разряда
7. Исследуются характеристики излучения импульсного электрического поля поверхностью объема с разрядом УПГ.
8. Исследуется частотный спектр сильных акустических колебаний, возбуждаемых в объёме газа с разрядом УПГ; его связь с процессом формирования пространственного заряда под поверхностью ГО и движением СОЗов по объему газа
9. Разрабатывается модель явления, использующая понятия плотности энергии пространства газовой среды и поля, соответствующего этой плотности.
Важным информационным свойством разряда УПГ, отличающим его от
/<?
осталшых типов разрядов в замкнутых газовых объемах, является свойство объема разряда быть источником [24,25] сильного (порядка 10 кВ/м) импульсного электрического поля и свобод ных электрических зарядов, наводимых в газовых и жидких средах, контактирующих с объемом этого разряда
Наличие такого свойства у разряда УПГ определило и широкий диапазон областей его практического применения. Так, технологичность ввода объема разряда в активные (рабочие) зоны различных (в том числе и высокотемпературных) реакций позволяет, и контролировать ход этих реакций [17,18], и воздействовать на их результат, ускоряя или замедляя их [19]. Аналогичен результат влияния излучения УПГ и на биологические объекты: различное (по направлению) смещение пространственного заряда в воздухе относительно поверхности объема УПГ оказывает [20] или стимулирующее, или угнетающее воздействие, например, на прорастание семян, размещаемых возле излучаемой поверхности объема УПГ. Явление наведения зарядов различного (заданного) знака в воздушном и водтгом пространстве вокр>т поверхности объемов УПГ используется и для других целей, например, в схемах питания патупроводниковых лазеров и диодов [23,26], в устройствах контроля за состоянием воздушной и водных сред [21,22].
4. Объем диссертации
Диссертация состоит из пяти глав, заключения, списка цитроватной литературы и приложения.
В первой главе диссертации рассматриваются результаты исследований механизмов развития известных разрядных процессов, имеющих обшие свойства и проявления с разрядом УПГ.
Вторая глава диссертации содержит описание результатов экспериментов по исследованию условий возбуждения разряда УПГ.
В третьей главе диссертации приводятся результаты исследований основного свойства разряда УПГ: способность его объема быть источником переменного электрического поля и свободных зарядов, наводимых в среде, окружающей объем с разрядом
/<?
В четвертой пиве проводится анализ применимости известных теорий разрядных процессов к описанию результатов экспериментальных исследований по УПГ. СТ1ределяются требования к механизму, способному объяснить всю совокупность проявлений в феноменологии УПГ; предлагается такой механизм. в основе которого процесс последовательного (в течении длительности переднего фронта импульса потенциала на ПЭ) увеличения глубины проникновения квазистатичсасого поля Ш в разреженный газ, увлечение этим полем в смещение и размножение первичных (фоновых) электронов, их последующая пространственная локализация в качестве объемного заряда и появление его электростатического поля.
В пятой главе рассматривается практическая реализация свойств безэлек-тродного разряда УПГ в различных областях науки и техники.
Завершают диссертац ию заключение, список цитированной литературы и приложение с таблицами (ко всей диссертации) и рисункам!! (к четвертой главе).
20
ГЛАВА I. ОБЩНОСТЬ И РАЗЛИЧИЕ ФЕНОМЕНОЛОГИИ ОДНОЭЛЕКТРОДНОГО ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДА (РАЗРЯДА УНИПОЛЯРНОГО ПРОБОЯ ГАЗА (УПГ) С ЕДИНСТВЕННЬМ ВНЕШНИМ ЭЛЕКТРОДОМ) И ИЗВЕСТНЫХ РАЗРЯДНЫХ ПРОЦЕССОВ. МЕХАНИЗМЫ РАЗВИТИЯ РАЗРЯДОВ. ВЫВОДЫ.
1.1. Условия пробоя газа.
Для всех типов разрядов пробой газа носит ярко выраженный пороговый характер: он становится возможным только при некотором критическом значении ЕПр приложенного поля, когда это поле, взаимодействуя с электронами, обеспечивает условие равенства частот их потерь и рождения,- условие стационарности критерия пробоя:
(ЕПр)-Вс1+Уа (1.1)
Здесь: и!-частота ионизации атомов полем ЕПр; «^частота диффузии электронов на стенки объема с газом; иа-частота устранения электронов за счет рекомбинации с ионами в объеме с газом. Время диффузии электронов на стенку
^ . исГ1 - А2Д). (1.2)
Здесь Д - диффузионная длина, определяемая размерами объема, Б -коффициент диффузии,
Б * * |)2/Зут=« 2е/3/Щп, (1.3)
определяемый, в свою очередь, через частоту столкновений и среднюю
энергию электронов £. Средняя длина свободного (безстолкновительного) пробега электронов ]т = ( й - средняя скорость их хаотического
2/
Рк.1. Потенциал зажигания в различных газах в широком диапазоне рЛ
(кривые Пашена)[1б] •
Ріс.2. Влияние материала катода на напряжение пробоя аргона. Штрих* пунктирная прямая соединяет точки минимума. Ее наклон 45° соответствует независимости (Е/р)т\а от материала катода [{6)
О О,Ь О, в 1,2 1,6 2,0 рс/,тор-см
Ріс.З. Кривые Пашена в укрупненном масштабе[16]
22
1н.1. Измеренные пороги СВЧ пробоя: а — воздух, частота /=9,4 ГГ ц, около кривых указаны диффузионные длины Л; б — несколько газов, /= =0.99 ГГц, Л=0.63 см; в — Н^-газ (гелий с добавкой паров ртути), Л=0.6 см [161.
25
движения) определяется частотой их столкновений с атомами газа, между которыми (за время tm= vm-1) электрон набирает энергию е=т\>2/2. Поскольку lm-vP”1, то и D^p-1 (р - давление газа). Такую хе зависимость от давления будет иметь и частота ионизации ui(Enp) -v р"1. При постоянном давлении газа (р - const) частота рождения новых электронов i>i пропорциональна квадрату приложенного поля: Uj Е2. Зависимость порогового
поля ЕПр от давления для всех способов возбуждения плазмы и всех газов имеет минимум, разделяющий две ветви, рис.1*4. На левой ветви, где порог падает с ростом давления, величина порогового поля ЕПр тем меньше, чем меньше размеры разрядной камеры (для СВЧ и лагерного пробоя), чем меньше расстояние d между электродами (в разрядной трубке постоянного тока.
Для всех типов разрядов область плазмы в целом является нейтральной, а самосогласованное поле области плазмы Е - rdp/eо, характеризующее коллективную связь ее электронной и ионной компонент, вне границ области плазмы себя не проявляет.
1.2.1. Тлеющий разряд - результат эмиссии электронов с катода и развития электронной лавины в двухэлектродной системе.
Если исходить из классических представлений о развитии самостоятельного разряда (например. [49,стр.292*352;50,стр.3191), то существование разряда УПГ в качестве самостоятельного со стационарной продольной структурой свечения разряда, рис.5,6 (С233, рис.1) должно обеспечиваться процессами рождения зарядов на электроде и вблизи него, как это происходит в катодных частях и на самом катоде в тлеющем разряде.
Стационарное протекания тока в тлеющем разряде обеспечивается существованием постоянного источника электронов у катода и их лавинное размножение в разрядном промежутке d в поле E-U/d приложенного к электродам напряжения U. При этом все родившиеся в разряде электроны
24
уходят на анод, замыкая тем самым токовую цепь между электродами.
Стационарность разряда требует наличие процессов, приводящих к постоянному появлению электронов в прикатодной области. Такими процессами являются : 1) вторичная эмиссия электронов под действием положи-
тельных ионов, которые, разгоняясь полем Е, ударяются о катод, выбивая с его поверхности электроны; 2) явление фотоэффекта, когда электроны выбиваются с поверхности катода квантами излучения из разряда; 3) эмиссия электронов с катода под действием ударов возбужденных атомов. Скорости всех этих процессов тем больше, чем больше зарядов возникает в ходе развития электронной лавины, причем для такого развития тре-бунтся определенное число электронов, постоянно воспроизводимых у катода. Если такое воспроизводство существует, то взаимосвязь между пробивным напряжением и, продольным полем Е, давлением газа р и диаметром разрядной трубки й, определяет условие зажигания (пробоя) газа:
гСе0“1 -1)-1, <хс1«1п[(1/*)+13. (1.4)
Здесь у - вероятность выбивания электронов ионами,~(10~1+10_3); * -
коэффициент ионизации; с1 - межэлектродный промежуток.
По мере развития электронной лавины увеличивается собственное поле объемного заряда разгоняемых электронов и, как только око сравняется с продольным полем, явившимся причиной размножения электронов, развитие электронной лавины прекращается, к электронам на расстояние де-баевского радиуса экранирования г а приближаются ионы, - возникает область коллективного взаимодействия зарядов - область плазмы.
Плазма тлеющего разряда является неравновесной - она представляет собой слабоионизованный газ (степень ионизации порядка 10'3+10-5), в котором электроны приобретают от поля значительно большую среднюю энергию (порядка 104 К.~ 1 эВ), по сравнению с более тяжелыми частицами газа (атомами, молекулами, ионами), которые остаются холодными (их
&
температура порядка комнатной, 300 К).
Равновесная плазма с одинаковой температурой электронов и тяжелых частиц порядка 1 эВ и степенью ионизации 1СГ3+10-1 возникает при давлении газа порядка атмосферного (н-р, положительный столб дугового разряда при электродной сварке или резке металла).
1.2.2. Продольная структура тлеющего разряда.
Разряд униполярного пробоя газа (УПГ) возбуждается импульсным потенциалом, периодически поступающим на покрытие-электрод (ПЭ), расположенный по наружной поверхности стенки стеклянной трубки с разреженным газом; непосредственный контакт между газом и металлической поверхностью потенциального электрода отсутствует. Однако это обстоятельство, предполагающее отсутствие межэлектродного продольного поля и змиттирущего электрода, не мешает наблюдению, рис.5 ([23), рис.2) в разряде УПГ продольной структуры свечения газа, аналогичной приэлект-родной структуре двухзлектродного тлеющего разряда, рис.б, появление которой объясняется именно эмиссией зарядов с поверхности электродов и наличию продольного поля [49,стр.293; 50.стр.318).
Вблизи поверхности катода эмиттируемые с него электроны обладают малыми начальными скоростями, что не позволяет им возбуждать атомы газа, ив силу чего у самой поверхности катода свечение газа отсутствует. Эта область, непосредственно примыкающая к катоду, называется темным астоновым пространством. Ускоряясь продольных« полем на толщине этого пространства , электроны приобретают энергию, достаточную для возбуждения атомов.
Светящаяся область ва астоновым темным пространством соответствует энергиям электронов, близким к максимуму функции возбуждения атомов данного газа [51). Излучение ив этой области имеет линейчатый спектр; называется она первым катодным слоем или катодной светящейся пленкой.
26
Р|С,5. Структура сктепия раэрила УЛ Г и оЗластв объем* газа, бдижай-шеп к вкгшпгму метмллиюскому покрытию торцевой стенки объ*я* ори вадиит вд покрытии пмну.тьспого потенциал*: с - отрицательной полярности. ф,-,: 6— подожшсльиоА поляраоств, оИ)
Р1С.1. Структура тлеющего разряда л распределения пмтевснввостп снгтешхя 3, яапря-жсяиоств поля £, потенциала ф, пхотвостей аарядоо и тохоъ оолоиттельвих левое в электронов Рр и р„ /р В /,£49/.
А*з&саг /легыг гэтлг
27
Ионизация атомов газа в этой области отсутствует из-за малой энергии электронов.
За первым катодным слоем располагается катодное темное пространство, называемое гитторфовым [49,с.2943 или круксовым темным пространством.
Следующая от катода область - область отрицательного тлеющего свечения, имеющая резкую границу со стороны катода и размытую со стороны анода. Электрическое поле в этой области мало; ионизованный газ пронизывается потоком быстрых электронов из катодного темного пространства, их энергия и задает длину отрицательного тлеющего свечения. Линейчатый спектр излучения из этой области определяется медленными электронами, потерявшими свою энергию (до энергии максимума функции возбуждения) в столкновениях с атомами и молекулами газа в катодном темном пространстве. Максимальная вероятность участия этих электронов в рекомбинационных процессах в направлении анода уменьшается по мере увеличения их энергии в продольном поле этой области; в силу этого и свечение этой области в направлении анода падает.
В фарадеевом темном пространстве, разделяющем область отрицательного тлеющего свечения и положительный столб, приобретаемая в слабом электрическом поле энергия электронов проявляется в их хаотическом движении.
В положительном стюлбе тлеющего разряда величина напряженности поля устанавливается такой, чтобы компенсировать потери заряженных частиц при диффузии электронов и ионов на стенки трубки, их рекомбинацию в катодной области разряда и в объеме плазмы, уход электронов на анод. Положительный столб (ПС) является самостоятельной частью разряда, существующей независимо от его катодной части.
Вблизи анода существует небольшое по ширине анодное темное пространство, определяющее границу разделения ионного и электронного зарядов плазмы, при уходе последних на анод и образование ими перед ним
28
отрицательного объемного заряда, в котором поле уменьшается по величине по направлению от анода к ПС. Анодное падение потенциала много меньше катодного [50,стр.392]; при средних давлениях оно увеличивается с ростом давления в соответствии с законом нормальной плотности тока на аноде [523 (для одного газа (]/р2)- const). Непосредственно у анода существует область анодного свечения, в которой излучается энергия электронов при их уходе в материал анода.
1.2.3. Поперечная приэлектродная структура тлещего разряда.
Феноменология разряда УПГ во многом определяется размерами и геометрией ПЭ, размещенного снаружи стенки разрядной трубки. От них, в первую очередь, зависит [23,24] геометрия области свечения газа в его объеме в непосредственной близости от ПЭ, размеры этой области, определяющие общую протяженность, всю длину светящегося столба газа в разряде УПГ, ток разряда и, в целом, величину энергии, вводимой в разряд (гл.II.3+5).
В тлеющем разряде металлический катод находится внутри разрядной трубки. Его размеры при некоторых условиях разряда (давлении и рода газа) могут ограничивать, определять величину разрядного тока. При разряде на поверхности катода наблюдается светящееся токовое пятно, площадь которого Sn пропорциональна величине разрядного тока і, а его плотность j=i/Sn имеет определенное значение Зп> зависящее от давления газа р (jtv-P2), его рода и материала катода. В нормальном тлеш.ем разряде (НТР) при изменении разрядного тока соответственно З-i/Sk меняется только площадь Sn токового пятна на катоде. Толщина dks катодного слоя и падение катодного потенциала Vks на нем от тока не зависят; не зависит от давления газа и Vks, dkS^.p-1. Однако если вся площадь катода Sk занята токовым пятном, то Vks и плотность тока j возрастают с увеличением тока 1.
29
Зависимость 3=1/3* из теории не следует [53,с.9861; все же эксперименты с тлеющим разрядом показывают, что если есть место на катоде, то "природа автоматически выбирает оптимальные условия для размножения электронов, требующие наименьшего напряжения"[53. там же]. Существование зависимости 3=1/3* для НТР объяснялось [54,55] требованиями устойчивости разряда, однако и "они не раскрывают механизма формирования нормального состояния и разрушения "ненормальных". Не объясняют возможность сосуществования на катоде по соседству двух областей, "через которые ток идет, и где тока нет, хотя поле есть и в последней. Не позволяют понять, что конкретно стабилизирует границу между областями - не дает ей двигаться или размываться"[53,с.900,901].
В нормальном катодном слое напряжение V* и выделяемая мощность Р=1У* минимальны при изменении площади Бп токового пятна, если ток 1=3Б* сохраняется неизменным. Все это позволило Энгелю [52] предполагать возможность выполнения в нормальном тлеющем разряде под действием каких-то неизвестных сил природы "принципа минимума мощности", предложенный Штеенбеком М. в 1932 году. Однако "этот принцип не следует из фундаментальных законов физики и мажет иметь лишь иллюстративное значение для замечательной целесообразности в устройстве природы" [53,с.901].
1.3. Стримерный пробой газа.
1.3.1. Определение понятия стримера.
Развитие разряда УПГ большой протяженности (>4 м[233) происходит б отсутствии змиттирующего заряды электрода (катода), когда свечение газа появляется вслед движению в продольном направлении объема трубки протяженного светящегося заряженного образования (СОЗа) [23+25]. Оба эти обстоятельства (и, в первую очередь, отсутствие эмиссии зарядов)
30
позволяют сравнивать развитие разряда УПГ со стримерным пробоем газа [59+893.
Классическая теория пробоя газа [56+583 работает при небольших давлениях газа (или концентрации N его атомов и молекул) и при такой длине разрядного промежутка б, при которой выполняется условие N6 <1019см-2. При атмосферном давлении воздуха и разрядных промежутках порядка 1 см, когда N6 >1019см-2, пробивное напряжение перестает зависеть от материала катода, т.е. - от процесса изначального рождения электронов, и, следовательно, самостоятельность разряда уже не определяется этим процессом. Гипотеза Леба, Мика и Ретера [59+683 об изменении механизма разряда при переходе к большим N6 основана на появлении стримера - узкого высокопроводящего канала. Развитие стримерной гипотезы нашло продолжение в работах Лозанского Э.Д. и др. [69+963.
1.3.2. Фотоионизация газа и развитие стримерного канала.
В основе стримерного механизма развития разряда лежит процесс фотоионизации газа в начале проводящего какала. Существование фотоионизирующего излучения, испускаемого электронной лавиной, впервые было обнаружено в 1938 году Ретером [903. Первоначальное объяснение появлению фотонов с энергией ионизации основывалось на различии в потенциалах возбуждения и ионизации газов в их смесях, когда энергия фотона, испущенного возбужденной молекулы одного из них, достаточна для ионизации другого [59,63,653. В воздухе такой процесс может быть обусловлен испусканием фотона возбужденной молекулой азота с уровня энергии (12.2 эВ), достаточной для ионизации кислорода. Однако большое поглощение этих фотонов при атмосферном давлении и 10бсм-1) и малое время их существования (.- 10“7с, время перехода молекулы азота на более низкое энергетическое состояние) практически не позволяет фотонам выйти из объема лавины и вызвать ионизацию молекул кислорода перед ней. Су-
ЗУ
шествование фотонов с большой длиной пробега становится возможным, если допустить, что при неэкспоненциальном законе поглощения фотоионизи-рущего излучения часть фотонов имеет малый коэффициент поглощения при значительном отклонении его частоты от резонансной. Это обстоятельство позволяет объяснить [693 появление вторичных электронов под действием фотонов (с энергией меньшей энергии ионизации), возникших в процессе реакций ассоциативной ионизации. В воздухе таковыми являются реакции с участием возбужденных молекул кислорода:
02*+ N2 -* N0 + N0+ + е~ (1.5)
0г*+ 02 •* Оз + 0+ + е-
Исходя из этого делается вывод [69,763, что в воздухе атмосферного давления самостоятельный разряд возможен и без участия катодных процессов, и без образования стримера.
В [63,653 Лбб и Мик определили требования, которым должна соответствовать теория стримеряого пробоя газа при больших разрядных промежутках и больших давлениях газа, когда на развитие разряда существенное влияние оказывает появление пространственного заряда. Эти требования следующие:
- за время пробоя газа ионы остаются неподвижными, пробой осуществляется только движением электронов;
- разряд начинается одним электроном и распространяется вдоль узкого канала;
- разряд не связан с процессами на катоде и зазисит только от вторичных процессов в объеме газа;
- механизм развития разряда должен учитывать пространственный заряд движущихся электронов.
1.3.3. Аналитические модели стримера и его основные параметры.
Приближенную трехмерную модель лавиностримерного перехода рас-
32
сматривает в [91] Фирсов О.В. В результате выполнения выше названных требований лавинное размножение электронов должно завершится образованием пространственной области с формой, близкой к сфере, внутри которой напряженность электрического поля значительно меньше, чем снаружи. Расширение лавины по мере ее развития объясняется [753 электростатическим расталкиванием электронов, когда радиус лавины растет экспоненциально со временем. Ионизуя газ при своем движении к аноду, электроны лавины оставляют после себя канал положительных ионов, плотность которых по направлению к катоду экспоненциально убывает. При этом между двумя разнесенными в пространстве противоположно заряженными областями - электронным зарядом в голове лавины и ионным зарядом в ее хвосте -образуется пространственный заряд лавины. Под его действием электроны, которые движутся на заднем фронте головы лавины, замедляют свое движение, перестают ионизовывать газ и, в конечном счете, останавливаются, нейтрализуя своим зарядом заряд ионного следа, способствуя тем самым дальнейшему ускорению электронов головы лавины. Последовательное развитие этого процесса приводит к образованию канала проводящей квази-нейтралъной плазмы, а лавина перерастает в положительный (анодный) стример. Поскольку напряженность поля в объеме стримера намного меньше поля вне его, то внутри стримера электроны постепенно теряют энергию и рекомбинируют с ионами. В объеме стримера остается только их избыточный заряд, образование которого сопровождается возбуждением молекул газа и их последующим вьювечиванем, - стример всегда сильно светится. Таким образом, стример представляет собой ярко светящуюся движущуюся область проводящего канала, образованного пространственно разнесенными свободными объемными зарядами разного знака. Направлен канал по полю, а его форма весьма схожа с эллипсоидом вращения [763.
Рассмотренная модель стримера представляет собой одну из ставшими уже "классическими" моделей стримера в однородном электрическом поле Е0. В ней начальный, стартовый радиус стримера г0; конечный - равен
- Київ+380960830922