ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗЫ ПРОБОЯ ПРИ ВЫСОКОВОЛЬТНОМ НАНОСЕКУНДНОМ РАЗРЯДЕ, ИНИЦИИРУЕМЫЙ УБЕГАЮЩИМИ ЭЛЕКТРОНАМИ, В ПЛОТНЫХ ГАЗОВЫХ СРЕДАХ

Введение 3
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
1.1. Разряд. Общие понятия 7
1.2. Несамостоятельный и самостоятельный разряды в газе 10
1.3. Механизмы пробоя при формировании разряда 13
1.3.1. Таунсендовский механизм 13
1.3.2. Стримерный механизм 14
1.4. Типы самостоятельных электрических разрядов в газе 15
1.4.1. Тлеющий разряд 15
1.4.2. Дуговой разряд 18
1.4.3. Объёмный импульсный разряд 22
1.4.4. Высоковольтный наносекундный разряд, инициируемый убегающими электронами 23
1.4.5. Явление пробоя в газе на убегающих электронах 25
1.4.6. Явление контракции разрядов 27
2. МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА 31
2.1. Метод электронно-оптической хронографии 31
2.2. Экспериментальная установка для исследования фазы пробоя высоковольтного
наносекундного газового разряда, инициируемого убегающими электронами, в плотных газовых средах 32
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 37
Заключение 45
Список литературы 47
Купить

Ещё в 1879 году английский физик У. Крукс, занимаясь исследованием газоразрядных трубок, отмечал, что явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии. Позже Ж. Б. Перрен показал, что вызывающие свечение «катодные лучи» представляют собой отрицательно заряженные частицы, которые движутся прямолинейно, но могут отклоняться магнитным полем, а в 1897 году Дж. Дж. Томсон и Э. Вихерт доказали, что эти лучи представляют собой поток электронов [1]. Лишь к концу первой четверти двадцатого века (1923 г.) американские химик И. Ленгмюр и физик Л. Тонкс обнаружили это четвертое состояние и назвали плазмой. В состоянии плазмы находится ~ 90% всего материального во Вселенной. На Земле её получают чаще всего искусственным путем - в результате зажигания электрических разрядов в газовых средах. Примером естественной плазмы в земных условиях можно считать плазму, создаваемую в результате, электрических разрядов в нижних и верхних слоях атмосферы - молний, спрайтов, джетов и т.д. Состояние плазмы непосредственно определяется условиями, при которых происходит зажигание разряда. В связи с этим крайне важной является задача, связанная с исследованием процессов, происходящих в газовых разрядах. Термин «газовый разряд» происходит от обозначения процесса разрядки конденсатора через цепь, включающую в себя промежуток между двумя металлическими электродами, заполненный газом. При пробое газонаполненного промежутка в результате приложения к нему напряжения, и последующем горении разряда наблюдается множество различных процессов, зависящих от условий зажигания (сорт газа, материал и форма электродов, расстояние между электродами, параметры импульса напряжения и др.). Исследованием явления электрического разряда в газовой среде и процессов, происходящих при этом, занимается отдельная наука - физика газового разряда. На сегодняшний день известно и достаточно хорошо описано в литературе несколько типов электрических разрядов в газе: тлеющий, дуговой, коронный, искровой, тёмный таунсендовский, ёмкостной, индуктивный и другие. Кроме того, большинство из указанных типов разряда широко используются для решения практических задач (светотехнические и коммутационные устройства, процессы сварки, при решении задач космической, текстильной, авиационной и других отраслей, при решении медицинских задач и т.д.).
Одним из наиболее важных параметров, определяющих возможности практического использования того или иного типа разряда является состояние плазмы и значения её основных параметров (плотность, температура, степень ионизации и др.). Существует ряд задач, для решения которых необходимо создание плотной неравновесной низкотемпературной плазмы при высоких давлениях газовой среды, в частности атмосферном. Такая плазма крайне перспективна, например, для создания источников спонтанного и вынужденного излучения c высокой удельной мощностью, а также в технологических процессах, связанных с воздействием химически активной холодной плазмы на поверхности различных веществ (металлов, полупроводников, диэлектриков, жидкостей) с целью упрочнения, очистки и модификации.
Одним из способов создания плазмы, обладающей такими свойствами, является высоковольтный наносекундный разряд в плотных газах, инициируемый убегающими электронами, первые упоминания о котором относятся к концу 1960-х гг. [2]. Особенностью данного типа разряда является возможность создания, без использования внешних источников ионизирующего излучения, и поддержания, на протяжении всего времени горения, неравновесной низкотемпературной плазмы при давлениях порядка атмосферного и выше. Это обеспечивается за счет предварительной ионизации убегающими электронами, которые генерируются в промежутке, в результате подачи на него импульсов напряжения, имеющих амплитудные значения десятки и сотни киловольт, достигающиеся за времена доли-единицы наносекунд. Помимо параметров возбуждающих импульсов, значительную роль играет геометрия межэлектродного пространства, в качестве которой обычно используется «остриё-плоскость». Выбор подобной геометрии обусловлен высокими перенапряжениями в промежутке и достижением значений параметра приведенной напряженности электрического поля E/N, инициирующих процесс убегания электронов.
До начала 2000-х гг. исследования данного типа разряда были в основном связаны с изучением условий и механизма генерации пучков убегающих электронов, их параметров, а также параметров рентгеновского излучения, возникающего при этом [3, 4]. Несмотря на то что, получено большое количество экспериментальных данных и было предпринято несколько попыток теоретического описания, явление убегания электронов остается до конца не познанным. Основная часть результатов исследовании явления убегания электронов при зажигании высоковольтного наносекундного разряда в газах при давлениях от долей-тысячи Торр за последние 40 лет представлена в работах [5] и [6, 7].
В последние 15 лет исследование высоковольтных наносекундных разрядов было связано с исследованием оптимальных условий зажигания разряда, свойств и параметров формируемой плазмы, процессов, происходящих при зажигании и горении, в том числе их теоретического описания, а также возможностей практического использования данного типа разряда. Наиболее последние данные этих исследований представлены в [7, 8].
Несмотря на это, явление высоковольтного разряда, инициируемого убегающими электронами, все еще остается полностью не понятым, в связи с чем интенсивные исследования ведутся различными научными группами не только в России, но и в таких странах как Китай, США, Израиль, Франция.
Одним из вопросов, которые являются актуальными и представляют интерес для исследователей, важное место занимает вопрос, связанный с тем каким образом происходит пробой промежутков, выполненных в геометрии «остриё-плоскость» и заполненных газом высокого давления, при подаче на них импульсов напряжения со скоростью нарастания 1013-1015 В/с. Такие данные представляют интерес, как с точки зрения управлением процессами, происходящими на стадии пробоя, с целью адаптации к различным практическим задачам, а кроме того полученные данные представляются крайне полезными при теоретическом описании явления и построения его теории.
В связи с этим, целью настоящей работы являлось исследование фазы пробоя высоковольтного наносекундного газового разряда, инициируемого убегающими электронами, в азоте, воздухе и аргоне при давлениях сотни- тысячи Торр.
Основные задачи
1. Анализ литературы.
2. Выбор и обоснование метода исследования.
3. Проведение эксперимента.
4. Анализ полученных данных при эксперименте.
5. Проведение сравнительного анализа с данными других работ.
Купить