Формирование объемного разряда и исследование его электрических и оптических свойств

2.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5.
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПОЛУЧЕНИЮ И ИССЛЕДОВАНИЮ
ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА 14.
§1.1. Несамостоятельный объемный разряд с
внешней ионизацией 16.
§1.2. Самостоятельный объемный разряд в плотных газах 25.
ГЛАВА II. ПШУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСАМОСТОЯТЕНЬНОГО
ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА С ВНЕШНЕЙ ФОТОИОНИЗАЦИЕЙ 40.
§2.1. Экспериментальная установка и методы
исследования 40.
§2.2. Осциллограммы тока и вольт-амперные
характеристики разряда 46.
§2.3. Обсуждение результатов. Схема искрового
пробоя 64.
§2.4. Искровая визуализация очагов пробоя 73.
§2.5. Выводы 79.
ГЛАВА III. ФОРМИРОВАНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ОБЪЕМНОГО
РАЗРЯДА В ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ 82.
§3.1. Схема генератора и условия экспериментов 83.
§3.2. Формирование объемного разряда и осциллограммы тока и напряжения 85.
§3.3. Измерение коэффициента ионизации азота 93.
§3.4. Выводы 98.
3.
ГЛАВА ІУ.
§4.1.
4.1.1
4.1.2
4.1.3
§4.2. '
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.2.4
4.2.5
4.2.6 §4.3.
4.3.1
4.3.
4.3.3
/
§4.4.
САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ ОБЪЕМНЫЙ РАЗРЯД С ПРВДИ ОНИЗАЦЙЕЙ ОІ.-ИЗЛУЧЕНИЕМ РАДИОИЗОТОПОВ
Разработка метода предионизации и источников об -частиц . Выбор радиоизотопа . Источники об-частиц . Специфика ионизации газа об-частицами Получение и исследование самостоятельного объемного разряда с радиоизотопной предионизацией . Экспериментальная установка . Измерение плотности предионизации . Динамические вольт-аыперные характеристики и стадии развития объемного разряда . Режимы устойчивого формирования объемного разряда
Влияние начальник условий . Интегральное свечение объемного разряда Обсуждение результатов. Физические представления о формировании и устойчивости объемного разряда . Динамика зажигания и развития разряда Возникновение и развитие искрового пробоя в объемном разряде . Численное моделирование динамики зажигания самостоятельного объемного разряда Выводы
Стр.
100.
101.
101.
104.
105.
107.
107.
III.
115.
119.
123.
126.
331.
131.
134.
138.
145.
4.
Стр.
ГЛАВА У. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАЗМЫ
САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА 148.
§5.1. Аппаратура и методы исследования 149.
§5.2. Спектры свечения самостоятельного объемного
разряда 1ЭЭ.
§5.3. Кинетика возбуждения спектров 156.
§5.4. Определение концентрации метастабильных молекул
А^Хи азота и константы саыотушения 163.
§5.5. Выводы 171»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1?3.
ЛИТЕРАТУРА 178.
5.
ВВЕДЕНИЕ
Под объемным разрядом (ОР) понимается электрический разряд в холодной газовой среде, создающий пространственно однородную, неравновесную плазму при токах и давлениях, лежащих за верхней границей контрагирования стационарного тлеющего разряда. У объемного разряда распределение электрического поля и зон свечения, включающие узкие приэлектродные слои и протяженный положительный столб плазмы сходны с таковыми для тлеющего разряда низкого давления, свойства которого в достаточной мере хорошо изучены и описаны в классической литературе [,1 - 5] • По этой причине этот вид газового разряда часто также называют тлеющим разрядом высокого давления или высоковольтным тлеющим.
Объемный разряд, как объект лабораторного исследования вошел в практику сравнительно недавно. Этому способствовало появление в технике и физическом эксперименте новых устройств с применением ОР. К ним относятся быстродействующие коммутаторы больших импульсных токов, лазеры на плотных газах, плазмохими-ческие реакторы, неравновесные МГД - генераторы и др. Несомненно, главным стимулом интенсивного исследования путей реализации и изучения свойств ОР явилось стремительное развитие лазерной техники и в первую очередь, возможность создания рекордных по энергетическим параметрам молекулярных лазеров, накачиваемых объемным разрядом.
Поскольку по определению, ОР действует в области запредельных режимов непрерывного тлеющего, то естественно, что его горение будет неустойчивым и объемный разряд обрывается перестройкой из пространственно однородной формы в низкоомную шнуровую ( искровой или дуговой разряд ). По этой причине ОР
6
работает только в импульсном режиме и при большой кратности
( х ТО2 - 10^, ) превышения пороговых условий по току и давлению
■ ■■■■' '
газа длительность существования фазы ОР может понижаться до 10 с.
Высоковольтный режим горения составляет другую отличительную черту ОР. При характерном уровне рабочего давления в одну атмосферу молекулярного газа, напряженность электрического поля может достигать З'Ю^ В/см. Это свойство прямо следует из параметра подобия для газового разряда e/n = const • Высоковольт-ность ОР вызвала к жизни широкую поперечную геометрию разряда с коротким промежутком и длинными параллельными электродами. При этом высоковольтный режим горения сильнейшим образом способствует образованию шунтировок дуговым или искровым разрядом, поскольку последние имеют на два порядка меньшее напряжение горения.
Среди неравновесных форм газового разряда ОР выделяется высокой мощностью, достигающей 10^ Вт/см^ , что позволяет осуществлять за короткое время импульсную накачку активной среды лазера на уровне ( ТО“2 - I ) Дя/см^. При атмосферном давлении плотность тока в ОР варьируется в пределах ( I - 10 ) А/см в зависимости от мощности питания. Отметим, что такой масштаб токов вполне достаточен для получения и дуговой и искровой форм разряда.
Названные вольт - амперные характеристики получаются при невысокой концентрации электронов ( ТО11 - ТО1^ ) см“^ , которые характерны для тлеющего разряда. При этом степень ионизации
_я с
газа очень мала - 10 - 10 , рассеяние электронов на ионах
не существенно и проводимость плазмы оказывается пропорциональной плотности электронов. Это позволяет простым способом определять электронную концентрацию по проводимости плазмы ОР.
Объемный разряд по способу проводимости в столбе подразделяется на несамостоятельный и самостоятельный ОР. В несамостоя-
7
тельном разряде проводимость в промежутке создается за счет ионизации газа интенсивным сторонним источником, а внешнее электрическое поле создает нагрев электронов и ток проводимости. При этом несамостоятельность тока велика и проявляется в том, что устранение внешнего ионизатора приводит к исчезновению тока [5] .
В самостоятельном режиме наложенное на промежуток электрическое поле выполняет обе функции в создании тока - генерирует необходимую плотность носителей заряда и создает с их помощью ток проводимости.
Зажигание самостоятельного разряда происходит при выполнении в разряде условия порогового % , обеспечивающего незатухающий характер развития ионизации по всему промежутку, включая переходные зоны у катода и анода [2 ] . В газах высокого давления наиболее вероятным процессом, происходящим после приложения порогового поля, является искровой пробой. Он характеризуется многократным спадом напряжения в результате образования между катодом и анодом высокопроводящего канала с термической плазмой. Избежать при зажигании канальную стадию и сформировать однородный по объему самостоятельный разряд в плотном газе удается путем создания предварительной ионизации газа между электродами. Причем уровень задаваемой предионизации может быть на несколько порядков ниже, чем это требуется для несамостоятельного разряда.
Проблема устойчивости ОР, обусловленная его принципиальной нестационарностью, является в настоящее время одной из центральных в физике и технике ОР. Она продиктована задачей повышения мощности технических устройств на основе объемного разряда, для чего необходимо увеличение давления и объемов газа, напряжения питания и плотностей тока. Рост давления приводит к падению эффективности диффузии и локализации всех процессов. Это в сильной степени способствует проявлению положительных обратных связей
8.
в ионизационных процессах, которые, особенно в плотном молекулярном газе, определяются большим числом различных видов отолк-новительного взаимодействия заряженных и нейтральных частиц. Образование таких связей при наличии конкуренции параллельных токов в широком поперечном столбе разряда делает объемный режим неустойчиным.
Для ОР в плотном газе специфична и наиболее губительна неустойчивость, наблюдающаяся в виде плазменных шнуров или каналов, замыкающих межэлектродный промежуток. Развитие подобной неустойчивости, при концентрации тока в отдельных шнурах, приводит к полному выключению ОР. Этот эффект, называемый в литературе шнурованием, контракцией или дугообразованием, создает не только сильные плазменные неоднородности, препятствующие, например, работе лазера, но и ведет к прекращению его функционирования.
Генерация плазмы ОР сторонним источником ионизации позволяет снизить поле ниже ионизационного порога и тем исключить высокую чувствительность скорости собственной ионизации в газе к изменениям температуры электронов в электрическом поле, которая и является детерминирующей причиной раскачки положительной обратной связи в цепи развития неустойчивости. Однако, несмотря на невысокие % , этот метод все не не дает полностью удовлетворительного для практики решения задачи устойчивости объемного разряда. При этом, поскольку внешнее электрическое поле в несамостоятельном ОР ниже ионизационного порога, то развитие неустойчивости с последующей трансформацией объемного разряда в плазменный канал с самостоятельной проводимостью в литературе часто рассматривается как эффект снижения потенциала искрового пробоя газового промежутка, подверженного действию внешнего ионизатора. Кратность этого эффекта может быть весьма велика ( х 5 - б ) и тем самым отличается от хорошо известного в классической лите-
9.
ратуре и объясняемого в рамках теории Роговского [2] слабого понижения напряжения зажигания самостоятельного разряда в результате действия внешних ионизаторов.
Несмотря на то, что проблема неустойчивости несамостоятельного ОР в- последнее время интенсивно изучается многочисленными коллективами исследователей во многих странах, тем не менее пока нет удовлетворительного согласия большинства теоретических моделей с реальными картинами, наблюдаемыми на опыте. Явление шнурования часто оказывается значительно более сложным, чем предполагается в существующих упрощенных теориях, так что вопрос о механизме развивающейся неустойчивости в этих случаях вряд ли может быть решен a priori без установления правильности основных представлений, соответствующих реальной динамике процесса шнурования.
Успешное применение несамостоятельного режима проводимости плотного газа для генерации в больших объемах неравновесной плазмы однако не удовлетворяет всей совокупности требований, выдвигаемых практикой. К недостаткам относятся в первую очередь громоздкость и сложность установок для получения несамостоятельного ОР. Большие трудности представляет изготовление и эксплуатация мощных ионизаторов. Так, например, в случае электронных пушек необходимо сочетать в разборной конструкции электропитание в сотни киловольт, защиту от рентгеновского излучения, тонкие и ненадежные мембраны, отделяющие вакуумный обьем электронной пушки от камеры объемного разряда. Серьезные ограничения стоят также на пути осуществления импульсно - периодических режимов работы. Эти обстоятельства делают в ряде случаев более предпочтительным использование самостоятельного разряда для получения неравновесной плазмы в плотном газе.
Самостоятельный ОР отличает значительно большая склонность
10.
к переходу в искровой ренин по причине самостоятельного характера генерации плазмы в условиях обеспечения высокой кратности
Г
( до 10 ) однородного по объему ионизационного усиления. Такая степень усиления является необходимой для перехода от слабого уровня предионизации к плотности плазмы П^у Ю1^ - Ю*2 см"', характерной для столба тлеющего разряда. В физике самостоятельного ОР, помимо проблемы нестабильности разряда возникает проблема его генерации, главная задача которой состоит в обеспечении объемного, а не искрового зажигания. Важную роль в этом играет развитие и совершенствование различных методов предварительной ионизации газа. Широко распространены: фотоионизация от дополнительных источников коронного или искрового разрядов, пучки электронов, предварительные разряды. В настоящей работе развивается новый метод получения самостоятельного ОР с предварительной ионизацией газа °С-излучением радиоизотопов.
Несмотря на успехи в техническом плане по реализации самостоятельного ОР, удовлетворительное физическое описание его формирования и устойчивости в различных условиях отсутствует. Это связано не только со значительными трудностями экспериментальных исследований, но и с направленностью большинства экспериментов на ускоренный, полуэмпирический поиск новых технических решений, что диктуется быстро растущими потребностями практики.
Таким образом, из вышеизложенного следует вывод о несомненной актуальности теш диссертации.
Прикладная цель работы - улучшение рабочих характеристик ОР, используемого в электроразрядных устройствах по возбуждению плотных газовых сред. Достижение этой цели обеспечивается исследованиями, направленными на совершенствование техники и углубление представлений по физике ОР. Рабочая программа исследований предусматривает решение трех взаимосвязанных задач:
II.
1. Построение физической модели развития искрового пробоя в несамостоятельном ОР с внешней фотоионизацией, основанной на данных целенаправленных экспериментов.
2. Создание нового, более рационального метода предиоииза-ции газа для формирования самостоятельного ОР - излучением радиоизотопов и получение самостоятёльного ОР в условиях радиоизо-топной ионизации.
3. Изучение принципов формирования и расширение представлений о динамике развития и устойчивости самостоятельного ОР.
Научный интерес работы связан с повышением уровня понимания физики объемного разряда в плотных газах. Изучение перечисленных вопросов может дополнить информацию об элементарных процессах, происходящих в неравновесной плазме высокого давления, о степени значимости их в явлениях закигания и устойчивого горения пространственно - однородных разрядов в плотных газах.
Эти представления могут оказаться существенны не только для лабораторных экспериментов, но и дать вклад в объяснение ряда явлений в природе и высоковольтной технике.
12.
На защиту выносятся:
1. Схема развития искрового пробоя в несамостоятельном объемном разряде с внешней фотоионизацией, основанная на развитии перегревно-ионизационной неустойчивости в катодных пятнах тлеющего разряда высокого давления и прорастании из них через промежуток высокопроводящих каналов самостоятельного разряда.
2. Метод искровой визуализации слабых токовых неоднородностей в плазме несамостоятельного объемного разряда.
3. Способ предварительной ионизации газа оС-излучением радиоизотопов, пригодный для формирования самостоятельного объемного разряда в плотных газах.
4. Разработка и применение методики высокочастотного электронного фильтра для измерения слабых уровней предионизации от непрерывных внешних ионизаторов. Метод способен в присутствии отрицательных ионов непосредственно измерять электронную плотность, а также оценивать эффективность прилипания электронов к неконтроллируемым электроотрицательным примесям в реальных плот-ннх газах.
5. Впервые полученный, в условиях радиоизотопной предионизации самостоятельный объемный разряд в газах: Л/2, А1, Не,
С02 - Л/2 - Не и воздухе при атмосферном давлении, в ходе которого реализован устойчивый переход от слабой радиоизотопной ионизации к плазме сильноточного объемного разряда с кратностью
5 б
ионизационного усиления - х 10 - 10 .
6. Пригодность радиоизотопной ионизации для проведения исследований по формированию самостоятельного объемного разряда
в различных газах на хорошо контроллируемом, количественном уровне. Такие исследования позволили выявить:
- общий трехстадийный характер разви-
13.
тия ОР; - определяющую роль крутизны фронта импульса напряжения на зажигание ОР; - влияние на устойчивость последующего горения ОР пространственно-временных флуктуаций в начальной стадии электронного размножения.
7. Данные по измерению коэффициента ионизации А/2 в диапазоне % : (1-1,5)-10~15 В см2 и константы скорости самотушения
8. Получение спектров свечения плазмы самостоятельного объемного разряда в различных газах и анализ кинетики их возбуждения.
метастабильного состояния
условиях ОР.
14.
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПОЛУЧЕНИЮ И ИССЛЕДОВАНИЮ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА.
В настоящее время существуют достаточно полные и обстоятельные руководства по газовому разряду и прохождению электрического тока через газы [1-5] , подводящие итог многолетним исследованиям в этой весьма обширной области физики плазмы. Направленность этих исследований в значительной мере определялась актуальными для того времени практическими задачами - созданием газоразрядных приборов и источников света, освоением высоковольтной техники, раскрытием физики атмосферного электричества и др. Сужение круга нерешенных в то время на уровне практики вопросов привело к некоторому ослаблению интереса к исследованиям и разработкам по газовому разряду.
Появление в начале шестидесятых годов новых технических направлений, таких как плазмотроны, МГД - генераторы, коммута-торф больших импульсных токов, мощные импульсные источники света, плазмохимия и, в особенности, открытие и стремительное развитие газовых лазеров, возродило интерес к физике газового разряда. Чрезвычайно большой размах исследований привел к взрывообразному потоку работ по газовому разряду, в особенности традиционному в этой области - тлеющему. Связано это было с тем, что стремление к повышению мощности устройств, в которых рабочим элементом выступает тлеющий разряд, потребовало увеличения его размеров, давления газа, токов, т.е. перехода в области неустойчивого режима горения, которому раньше уделялось мало внимания. Это привело к необходимости решения новых технических проблем, углублению понимания физики разряда, в частности сугубо нестационарных явлений зажигания, неустойчивости, изучению элементарных процессов рождения и гибели заряженных
частиц, специфичных для неравновесной плазмы высокого давления. Лазерные потребности стимулировали проведение тщательных исследований в области кинетики процессов возбуждения энергетических состояний атомов и молекул в плотных газах сложного состава.
О широте научного поиска по затронутым проблемам свидетельствует наличие в настоящее время уже десятков обзоров и книг в отечественной и зарубежной литературе, отражающих состояние разработок на данном этапе исследований. Количество оригинальных статей по этим вопросам за сравнительно непродолжительный отрезок времени, например, с момента появления технологических лазерных устройств, уже превышает тысячу.
В силу большого объема, по - видимому невозможно вести полный литературный обзор по многочисленным и разноплановым публикациям, а целесообразнее в первую очередь опираться на работы обзорного характера, привлекая некоторые оригинальные статьи лишь для иллюстрации основных идей. Это тем более оправдано, поскольку работы в этом направлении ведутся параллельно многими коллективами во всех технически развитых странах, что неизбежно приводит к увеличению числа дублирующих публикаций. Эти обстоятельства создают определенные трудности также и в составлении приоритетного списка работ.
16
§ 1.1 Несамостоятельный объемный разряд с внешней ионизацией.
В начале 70-х годов в серии работ [9 - 13] была продемонстрирована возможность поддержания плазмы ОР в газовых лазерах с объемом в десятки и сотни литров при давлениях вплоть до десятков атмосфер, за счет использования стороннего источника ускоренных электронов, реализуя тем самым несамостоятельный режим горения разряда Этот метод оказался весьма перспективным для возбуждения мощных молекулярных лазеров и, в первую очередь лазеров на С02, обладающими КПД, близким к квантовому [и], что естественно вызвало значительный интерес к свойствам несамостоятельного ОР. Первый обзор соответствующих работ был дан в[15]. Поиск путей совершенствования данных лазеров привел к созданию схем, несамостоятельный разряд в которых создавался с помощью источников мощного УФ - излучения [1б] или проникающими излучениями ядерных реакторов [I?] .
Развитие метода внешней ионизации в газовых лазерах во многом было предопределено идеями более ранних работ. Так в работе [18] , посвященной исследованию области отрицательного свечения в тлеющем разряде низкого давления, была показана возможность стабилизации ее быстрыми электронами, выходящими из катода и ускоренными в катодном слое. В [19] исследовалось влияние протонного пучка на генерацию С02 - лазера, возбуждаемого тлеющим разрядом низкого давления. А в работе [20] предлагалось вводить в газовую среду пары легкоионизующихся элементов с целью созда-
* За эти работы коллективу разработчиков электроионизацион-ных лазеров была присуждена Государственная премия.
17
ния свободных электронов путем ионизации их светом стороннего источника.
Несамостоятельный ОР был реализрван в режиме с длительностью горения до 10- 10“^ с [з,21,22] , а также в непрерывном [23,24] . Обобщение основных результатов по стационар-
ному тлеющему разряду повышенного давления дано в обзоре [25] .
7
Импульсный ОР с внешней ионизацией, длительностью менее 10 с исследовался в работах [ 11,15,2б] . Результаты исследований обобщены в [ 27 ] . Тлеющему разряду в потоке газа посвящен обзор [28 ] .
Одной из важнейших характеристик лазеров с несамостоятельным разрядом является плотность введенной в среду энергии. Величина ее определяется прежде всего проводимостью газа. Проводимость ионизованных газов была ранее предметом внимания многих исследователей. Достаточно полное изложение этих представлений было сделано еще Томсоном [29] и Лебом[з] и получило свое дальнейшее развитие в теории ионизационных камер [зо] . Условия работы ионизационных камер характеризуются сравнительно нивкой интенсивностью внешней ионизации Ю8 - Ю*2 см”^с-* и высокими значениями электрического поля. В таких условиях определяющей становится роль объемных пространственных зарядов, экранирующих внешнее поле ; ток через газ близок к току насыщения У и проводимость межэлектродного промежутка определяется подвижностью ионов. Поскольку подвижность ионой на несколько порядков меньше подвижности электронов, то проводимость, а следовательно и вкладываемая в газ энергия оказывается весьма незначительными. Данные опасения о малости вкладываемой в несамостоятельный ОР энергии высказывались в работе [20] . Однако, уже в первых экспериментах по возбуждению несамостоятельного ОР в плотных газах [э,ю] оказалось, что величина вкладываемой