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

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

Таким образом, в ходе проведенных исследований были получены следующие результаты.
При возбуждении импульсами напряжения амплитудой 45-55 кВ и длительностью фронта ~ 0,7 нс промежутка, выполненного в геометрии «остриё-плоскость» с переменным от, 3 до 8 мм межэлектродным расстоянием заполненного азотом, воздухом и аргоном при давлениях от 0,1 до 2 атм., методом электронно-оптической хронографии проведено исследование фазы пробоя. Необходимо отметить, что во всем диапазоне экспериментальных условий формировался разряд, который на протяжении всего времени горения оставался диффузным. Кроме того, данный разряд является высоковольтным наносекундным разрядом, инициируемым убегающими электронами, что подтверждается надежной регистрацией коллектором за анодной фольгой импульсов тока субнаносекундной длительности, ассоциируемых с током пучка убегающих электронов. Установлено, что пробой промежутка в широком диапазоне условий происходит в виде волны ионизации, стартующей от потенциального катода с малым радиусом кривизны. Определены средние значения скорости распространения волны ионизации в промежутке, которые составляют 1:6 109 см/с. Показано, что скорость волны ионизации возрастает с уменьшение давления газа в зазоре.
Важно отметить, что полученные данные неплохо согласуются с результатами, полученных в работах других авторов.

Купить