Неравновесная низкотемпературная плазма благодаря своим уникальным свойствам получила широкое распространение в самых различных сферах. Способность инициировать и поддерживать процессы на поверхности твердых и жидких тел используют для обработки, модификации и очистки различных материалов, в том числе и чувствительных к температуре [1]. Высокоэнергетичные электроны плазмы способствуют воспроизводству различных химических соединений, необходимых, например, при обработке ран в медицине [2]. Электронейтральную область газоразрядной плазмы используют для накачки лазеров, применяемых в военных, медицинских и научных целях [3].
Сегодня крайне актуальной является задача генерации неравновесной низкотемпературной плазмы при давлениях газовой среды, в частности воздуха, порядка атмосферного и выше. Одним из способов получения неравновесной низкотемпературной плазмы является тлеющий разряд [4]. Хотя этот способ широко распространён и на сегодняшний день, всё же обладает рядом недостатков. Оптимальным условием горения тлеющего разряда является небольшое давление газовой среды (1-10 Торр). Такое давление необходимо обеспечить и поддерживать различными средствами. Также от величины давления зависит количество активных частиц, принимающих участие в различных процессах, представляющих интерес с точки зрения применения плазменного объекта. Формирование разряда с похожими свойствами, но уже при атмосферном давлении стало возможным после исследования перехода тлеющего разряда в искровой. Он был назван объёмным импульсным разрядом [5]. Однако для его формирования необходима дополнительная предыонизация всего объёма разрядного промежутка внешними источниками ионизирующего излучения, а если искусственно не ограничивать длительность горения, он неизбежно контрагирует. Дальнейшим развитием объёмного разряда стал высоковольтный наносекундный разряд, инициируемый убегающими электронами, в газонаполненных промежутках с сильно неоднородным распределением напряженности электрического поля [6]. Эффективная предыонизация межэлектродного пространства в данном случае осуществляется убегающими электронами, которые генерируются в результате достижения в промежутке крайне высоких (до ~ 1 МВ/см) величин напряженности электрического поля. Такое величины напряженности электрического поля достигаются при определенных конфигурациях межэлектродного узла, например, геометрия «остриё-плоскость».
Для того, чтобы использовать плазму в практических целях необходимо знать её основные параметры такие как температура и концентрация электронной и ионной 3
компонент, температура нейтральных частиц и т.д. Наибольший интерес представляет концентрация электронов. Именно данный параметр определяет кинетику процессов в плазме и играет важную роль в их моделировании. Существуют различные методы для диагностики плазмы, в частности для определения электронной плотности. Наиболее распространённые из них зондовый, метод, основанный на рассеянии лазерного излучения, а также методы оптической эмиссионной спектроскопии [7]. Последние относятся к наиболее простым и являются бесконтактными, т.е. не вносят возмущений в плазму. Одним из наиболее распространенных является метод, основанный на измерении штарковского уширения спектральных линий [8]. Посредством прямого измерения данный метод позволяет определять концентрацию электронов с погрешностью ±30%, при этом плазма может находиться в состоянии далеком от термодинамического равновесия. Из литературных источников известно о методе, основанный на измерении спектрального расстояния между разрешённой и запрещённой компонентами линии атома гелия He I 447 нм [9]. Данный метод также не зависит от состояния плазмы, но ранее применялся только в плазме близкой к локальному термодинамическому равновесию, в условиях дугового разряда при атмосферном давлении, и обладает погрешностью ±15%.
Цель настоящей работы:
Определение электронной концентрации в плазме высоковольтного наносекундного разряда, инициируемого убегающими электронами, в сильно перенапряжённом промежутке, заполненным газом высокого давления.
Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить следующие задачи:
1. Анализ литературы об электрических разрядах, состояниях плазмы и методах её диагностики.
2. Сборка экспериментального стенда для зажигания высоковольтного наносекундного разряда, инициируемого убегающими электронами, при высоких перенапряжениях в газах высокого давления.
3. Определение аппаратной функции системы регистрации.
4. Выбор метода для измерения электронной концентрации в плазме разряда.
5. Определение, выбранным методом, концентрации электронов в плазме высоковольтного наносекундного разряда, инициируемого убегающими электронами, формируемого в гелии при высоких давлениях.
6. Сравнение полученного результата, с данными об электронной плотности,
полученными другим способом.
В ходе проведенной работы были получены следующие результаты:
❖ При высоких давлениях гелия, от 0.5 до 4 атм., в результате зажигания высоковольтного наносекундного разряда, инициируемого убегающими электронами, получена неравновесная низкотемпературная плазма.
❖ Собран и введен в работу экспериментальный стенд для осуществления диагностики неравновесной низкотемпературной плазмы такого разряда, определена аппаратная функция системы регистрации и нормальная ширина щели. Минимальное значение аппаратной функции при нормальной ширине входной щели монохроматора составило 0.024 нм.
❖ Используя собранную экспериментальную установку, при помощи оптического эмиссионного метода, основанного на измерении спектрального расстояния между разрешенной и запрещенной компонентами спектральной линии атома гелия с центральной длиной волны 447 нм, были измерены средние за импульс значения электронной концентрации в разрядной плазме гелия при давлениях 0.5-4 атм. Установлено, что концентрация электронов изменяется в пределах от 1014 до 1016 см-3.
❖ Показано соответствие полученных результатов с результатами измерения электронной плотности методом штарковского уширения.
