CC BY
43
УДК 537.525, 621.373.535
Вестник СПбГУ. Сер. 4. 2012. Вып. 2
Ю. И. Анисимов, И. Ч. Машек, К. Е. Метельский, Е. Л. Рябчиков
БЕЗЭЛЕКТРОДНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ
Эффективное импульсное вложение энергии в электродинамическую дисперсную среду (ЭДДС) с целью получения паров химических элементов и их соединений актуально как с точки зрения создания новых лазерных сред [1, 2], так и объектов для исследования нелинейных интерференционных эффектов [1, 3, 4]. Кроме того, полученные на основе электрического разряда в ЭДДС металлические плёнки могут быть использованы, например, в качестве фильтров в ядерной физике [5].
Авторами разработан и создан импульсный испаритель электродинамической дисперсной взвеси частиц на основе диффузного электрического разряда [6, 7]. В работах [6, 7, 10] речь идёт об электрическом разряде в ЭДДС частиц металлов. Плазма диффузного импульсного разряда эффективно взаимодействует с большой суммарной поверхностью частиц металла электродинамической дисперсной взвеси, что приводит к частичному или полному их испарению и осаждению материала частиц на внутреннюю поверхность разрядной трубки (РТ).
Таким методом были получены РТ с металлическими плёнками толщиной в доли микрона на основе А1, W, Си [10]. Наряду с получением хорошо изученных металлических покрытий данный метод позволяет получать покрытия из ЭДДС на основе твёрдых неметаллических веществ, что существенно расширяет класс веществ, с которыми может работать испаритель данного типа. Заметим, что создание электродинамической дисперсной взвеси частиц неметаллов является гораздо более сложной задачей и требует более детального исследования условий возникновения ЭДДС.
Анализ процессов образования ЭДДС показывает, что механизмы образования зарядов у частиц металлов и неметаллов существенно различаются. Электродинамическая взвесь металлов создаётся относительно легко и существует в широком диапазоне давлений буферного газа (Р ^ 10-2 Торр и Р ^ 100 Торр) [2]. Электрическое поле низкой частоты (50 Гц), создающее взвесь частиц А1, Си, W размером в 10-30 мкм, составляет 2-5 кВ/см. Образование зарядов у частиц металлов в этом случае связано с наличием такого «подъёмного» поля. Оценки заряда частиц дали результат 4 • 105е.
Создание ЭДДС на основе частиц неметаллов является гораздо более трудной задачей, особенно в широком диапазоне давлений буферного газа. Для придания заряда частицам неметалла необходим источник электрических зарядов. В качестве источника может служить, например, импульсный диффузный барьерный разряд или импульсный ВЧЕ [8, 9] разряд в буферном газе. Возникающие в таком разряде потоки плазмы создают заряды на частицах неметаллов, и эти заряженные частицы под действием низкочастотного «подъёмного» электрического поля могут образовать электродинамическую взвесь. Диапазон давлений буферного газа, в котором существует электродинамическая взвесь частиц неметаллов, определяется, с одной стороны, возможностью создания в нём ВЧЕ плазмы и, с другой стороны, отсутствием барьерного разряда от низкочастотного «подъёмного» электрического поля.
Результатом нашей работы является экспериментальное определение диапазона давлений буферного газа для создания электродинамической дисперсной взвеси частиц
© Ю. И. Анисимов, И. Ч. Машек, К. Е. Метельский, Е. Л. Рябчиков, 2012
Al2O3, SiO2, CuO (с возможностью формирования диффузного импульсного разряда между внутренними разрядными электродами). При этом может быть создана импульсная пылевая плазма с ВЧЕ плазменным возбуждением (длительностью 100 мкс), в которой частицы двигаются со скоростью в диапазоне 0-2,5 м/с [11].
Нами показано также, что использование импульсов безэлектродного ВЧЕ разряда позволяет создать ЭДДС частиц неметаллов, в которую может быть вложена энергия диффузного электрического разряда постоянного тока, т. е. в описанном в [6] импульсном испарителе ЭДД взвеси могут использоваться различные вещества, находящиеся в дисперсной фазе.
При электрическом разряде в ЭДДС плазма неизбежно «загрязняется» материалом внутренних разрядных электродов. Избежать этого можно было бы при вложении энергии в ЭДДС с помощью безэлектродного электрического разряда. Его длительность ограничена скоростью движения частиц ЭДДС и составляет максимум 1-5 мс, при этом вкладываемая мощность безэлектродного ВЧЕ разряда составляет десятки киловатт. Безэлектродный индукционный разряд может быть использован при исследовании плёнок, получаемых на основе ЭДДС, что может являться поводом дальнейших исследований.
Применение безэлектродного электрического разряда в ЭДДС позволяет создавать взвеси частиц неметаллов и весьма перспективно при испарении дисперсной среды и получении плазмы без примесей материала электродов.
Литература
1. Машек А. Ч., Мяздриков О. А., Николаев О. С. К вопросу о теоретическом моделировании дисперсных систем, созданных электродинамическим методом // Изв. ВУЗов. Физика. 1976. № 9. С. 34-37.
2. Анисимов Ю. И., Машек А. Ч., Метельский К. Е., Рябчиков Е. Л. Лазеры на электродинамических дисперсных средах // Опт. и спектр. 2009. Т. 107, № 3. С. 394-397.
3. Гайда Л. С. Взаимодействие мощного оптического излучения с парами щелочных металлов. Гродно, 2006. 143 с.
4. Пулькин С. А. Нелинейная поляризация и восприимчивость атомов в сильных полигармонических световых полях: дис. ... док. физ.-мат. наук. СПб., 2006. 226 с.
5. Чумаков А. И., Смирнов Г. В., Андреев С. С. и др. Дифракция ядерного у-излучения на многослойной синтетической структуре // Письма в Журн. эксп. теор. физики. 1991. Т. 54. Вып. 4. С. 220-223.
6. Anisimov Yu. I., MashekI. Ch., Metelskiy K. E, Ryabchikov Y. L. Electrical discharge in elec-trodynamic disperse system (EDDS) // PPPT-6. Minsk, Belarus, 2009. P. 82-83.
7. Anisimov Yu. I., MashekA. Ch., Metelsky K. E., Ryabchikov Y. L. Lasers on Electrodynamic Dispersive Mediums // International Conference "Laser Optics 2008". Saint-Petersburg, Russia. 2008.
8. Райзер Ю. П., Шнейдер М. Н., ЯценкоН. А. Высокочастотный емкостной разряд. Физика. Техника эксперимента. Приложения: учеб. пособие. М., 1995. 320 с.
9. Райзер Ю. П. Физика газового разряда: учеб. руководство. М., 1992. 536 с.
10. Анисимов Ю. И., МашекА. Ч., Метельский К. Е., Рябчиков Е. Л. Импульсное получение паров металлов на основе электродинамических дисперсных сред // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2010. Вып. 2. С. 28-31.
11. Анисимов Ю. И., Метельский К. Е., Рябчиков Е. Л. Диагностика скоростных распределений в электродинамических дисперсных системах // ОМИП-2009. Москва, 2009.
Статья поступила в редакцию 10 декабря 2011 г.
