Две формы разряда униполярного пробоя газа Текст научной статьи по специальности «Физика»

ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ

УДК 537.525

А.К. Сухов, Т.П. Копейкина ДВЕ ФОРМЫ РАЗРЯДА УНИПОЛЯРНОГО ПРОБОЯ ГАЗА

Экспериментально установлены две формы существования разряда униполярного пробоя газа, зависящих от частоты следования прикладываемых высоковольтных импульсов. Переход от одной формы разряда к другой происходит в узком диапазоне частот. Частота перехода растет с увеличением давления газа и уменьшением амплитуды импульсов. В области перехода наблюдается развитие неустойчивости разряда и гистерезис его параметров.

Ключевые слова: разряд униполярного пробоя газа, высоковольтные импульсы потенциала, частота следования импульсов, свечение, вольтамперная характеристика, неустойчивость разрядного столба, гистерезис.

Введение

Разряд униполярного пробоя газа (УПГ) возникает в трубке с разреженным газом под действием высоковольтных импульсов потенциала одной полярности, прикладываемых к единственному внешнему покрытие-электроду (ПЭ) [1-3]. Исследования данного типа разряда актуальны вследствие того, что создаваемая таким разрядом плазма является «чистой», т.е. в разрядной камере отсутствуют металлические электроды, которые могут распыляться, загрязняя плазму. Кроме того, способ формирования разряда высоковольтными импульсами позволяет создавать условия для генерации химически активных радикалов типа монооксида углерода СО и атомарного водорода Н, которые имеют большое практическое применение в плаз-мохимии и атомно-водородной энергетике.

Предметом экспериментальных исследований в данной работе являются вольтамперная характеристика разряда УПГ длина его области свечения и параметры заряженной компоненты плазмы разряда. Использовалась экспериментальная установка, описанная ранее [3].

I Вольтамперные характеристики разряда УПГ при разной частоте следования импульсов потенциала

Исследуемые характеристики разряда УПГ -объем области свечения и ток - существенно зависят от параметров его возбуждения. Область свечения разряда УПГ имеет вид конуса с основанием у ПЭ. Увеличение амплитуды импульсов потенциала на покрытие-электроде, приводит к увеличению длины области свечения разряда (рис. 1). При исследовании этого влияния были построены зависимости длины разряда от амплитуды импульсов потенциала при разной частоте их следования (рис. 2).

Обнаружено, что при малой частоте следования импульсов потенциала положительной полярности (рис. 2а) длина области свечения во всем исследованном диапазоне амплитуды импульсов достаточно мала (до 40 см). При этом ток разряда относительно других режимов значительно больше. Поэтому данная форма разряда УПГ получила название сильноточной. При частоте положительных импульсов более 800 Гц, начиная с некоторой амплитуды, наблюдается резкое возрас-

Рис. 1. Характер свечения разряда УПГ при разной амплитуде импульсов положительного потенциала (сверху вниз): ф = 5 кВ, 10 кВ, 15 кВ, частота следования импульсов £ = 1100 Гц, давление воздуха р = 1 Торр, длина покрытие-электрода LПЭ = 2 см (расположен слева)

Рис. 2. Зависимости длины свечения разряда УПГ от амплитуды положительных (а) и отрицательных (б) импульсов потенциала при разной частоте их следования. Давление воздуха р = 1 Торр, длина покрытие-электрода L = 2 см

тание длины области свечения разряда (более 130 см), после которого она растет более плавно. Данная форма разряда УПГ названа слаботочной, поскольку характеризуется малыми значениями разрядного тока.

С увеличением частоты импульсов область резкого роста длины свечения разряда смещается в сторону меньших значений амплитуды импульсов. Т.е. при большей частоте следования импульсов положительной полярности условия для развития разряда являются более благоприятными. Переход между сильноточным и слаботочным режимами происходит резко, и носит пороговый характер.

При росте амплитуды импульсов потенциала отрицательной полярности длина разряда УПГ также увеличивается, но область резкого увели-

чения длины свечения разряда отсутствует. При этом характер возрастания длины разряда практически не зависит от частоты следования импульсов (рис. 2б), т.е. для импульсов потенциала отрицательной полярности их частота практически не влияет на объем свечения разряда, лишь несколько увеличивая его яркость. Ток разряда при отрицательных импульсах невелик и соответствует значениям тока слаботочной формы разряда импульсов положительной полярности.

Важным параметром разрядов в газе служит их вольтамперная характеристика (ВАХ). Зависимость тока разряда от напряжения ВАХ позволяет определить удельную проводимость объема разряда, оценить параметры плазмы. Исследования показали (рис. 3), что ВАХ разряда УПГ существенно зависит от полярности импульсов по-

I, мА

200 Гц

а) б)

Рис. 3. Вольтамперные характеристики разряда УПГ при положительных (а) и отрицательных (б) импульсах потенциала при разной частоте их следования. Давление воздуха р = 1 Торр, длина покрытие-электрода LПЭ = 2 см

тенциала на ПЭ. При их положительной полярности частота следования импульсов сильно влияет на вид ВАХ, а при отрицательной такого влияния не наблюдается.

Для положительной полярности импульсов на ПЭ (рис. 3а) можно выделить две формы разряда: сильноточную (при частоте следования импульсов менее 800 Гц) и слаботочную (при частоте более 1100 Гц). Ток сильноточной формы разряда превышает ток слаботочной в 1,5-3 раза. Сильноточная форма характеризуется линейно нарастающей ВАХ (кривая 200Гц, рис. 3а) с практически постоянным наклоном для всего диапазона амплитуды импульсов. В слаботочной форме разряда наклон нарастания ВАХ меняется при увеличении амплитуды импульсов. Однако при амплитуде импульсов до 5 кВ наклон ВАХ существенно меньше, чем для сильноточной формы, а при амплитуде более 5 кВ наклон ВАХ близок к наклону сильноточной формы.

Для импульсов отрицательной полярности наблюдается только слаботочная форма разряда (рис. 3б) во всем исследованном диапазоне частот следования импульсов. В этом случае ВАХ аналогична характеристике разряда при положительной полярности импульсов частотой более 1100 Гц. Т. о. высокие значения амплитуды тока разряда УПГ и линейная ВАХ с постоянным наклоном наблюдаются лишь для импульсов положительной полярности малой частоты (менее 800 Гц). В этих условиях проявляются механизмы, приводящие к увеличению тока разряда при той же амплитуде

Рис. 4. Зависимость минимального сопротивления разряда УПГ от амплитуды положительных и отрицательных импульсов потенциала при разной частоте их следования. Условия аналогичные предыдущему рисунку

импульсов, а, следовательно, к возрастанию вкладываемой в разряд импульсной мощности относительно положительных импульсов частотой более 1100 Гц или отрицательных импульсов всего исследованного диапазона частот.

Поведение сопротивления объема разряда УПГ при разной амплитуде импульсов также обнаруживает существование двух форм разряда (рис. 4). В сильноточной форме минимальное сопротивление разряда в импульсе существенно меньше, чем в слаботочной, составляя для амплитуды импульсов от 2 до 15 кВ, соответственно, от 183 до 74 кОм для сильноточной формы и от 500 до 139 кОм для слаботочной.

Полагая, что область свечения разряда соответствует области ионизованного газа, то ее форма близка к усеченному конусу. Сопротивление R проводника такой формы с малым диаметром d, большим D, длиной L и при удельной проводимости среды а, равно:

Я _ —----—.

ж ■о d■ О

Согласно данному выражению, сопротивление Я обратно пропорционально квадрату диаметра, и оно определяется в основном той областью конуса, где диаметр меньше и близок к d, т.е. основное сопротивление разряда сосредоточено в область свечения с меньшим диаметром (на рис. 1 справа). Там же наблюдается и наибольшее падение потенциала, и, следовательно, максимальное продольное поле. Из сопротивления разряда можно вычислить его удельную проводимость а :

_ 4 1 _ 4 11 ж ■ Я d ■ О ж d ■ О и здесь I - ток, а и - напряжение на разряде. Анализ данного выражения показывает, что, хотя для сильноточной формы ток разряда УПГ в импульсе больше, его длина существенно меньше (рис. 2а) и заранее определить характер проводимости достаточно трудно. Удельная проводимость разряда - важный параметр, она позволяет оценить, например, плотность заряженных частиц в плазме разряда. В квазистационарном случае проводимость слабоионизованного газа равна [4, с. 44]:

где е - заряд, п - концентрация, т - масса электронов, V - эффективная частота столкновений электронов с нейтральными частицами (для воз-

2

е ■ п

и _

е т

Рис. 5. Зависимость концентрации зарядов в плазме разряда УПГ от амплитуды положительных (1 - 200 Гц, 2 - 2000 Гц) и отрицательных (3 - 200 Гц, 4 - 2000 Г ц) импульсов потенциала при разной частоте их следования. Условия аналогичные предыдущему рисунку

духа vm/p = 3,9'1091/(с’Торр) [4, с. 42]). Из этой формулы можно получить выражение, позволяющее оценить концентрацию электронов в разряде УПГ:

е2 4 Ь 1

пе ----------------

те - Ут х d ■ О Я

В наших экспериментах регистрируется минимальное значение сопротивления разряда в импульсе (рис. 4). Поэтому по данной формуле можно оценить максимальную концентрацию заряженных частиц в импульсе.

Расчет показал, что сильноточному режиму соответствует меньшая концентрация заряженных частиц (рис. 5), что еще раз свидетельствует о менее благоприятных условиях возбуждения разряда в этом случае. Концентрация заряженных частиц устанавливается в результате динамического равновесия между процессами ионизации и гибели. Если принять, что процессы ионизации определяются давлением и амплитудой прикладываемых импульсов и слабо зависят от их полярности, можно предположить, что в сильноточном режиме существуют более интенсивные процессы гибели заряженных частиц, обусловленные полярностью импульсов.

Итак, сильноточная форма разряда УПГ характеризуется во всем исследуемом диапазоне амплитуды импульсов малыми размерами области свечения разряда, линейной ВАХ с практически постоянным сопротивлением разрядного

столба и реализуется импульсами положительной полярности малой частоты. Слаботочная форма разряда УПГ имеет большую длину области свечения, нелинейную ВАХ и наблюдается при большой частоте следования для положительной полярности импульсов и во всем диапазоне частот для отрицательной полярности импульсов.

Переход от сильноточной к слаботочной форме разряда при положительной полярности импульсов наблюдается в узком диапазоне частот шириной около 300Гц. Например, для давления р = 1 Торр переход происходит в диапазоне 800— 1100 Гц. В области перехода ВАХ имеет участок с отрицательным сопротивлением, на котором повышение амплитуды импульсов потенциала приводит к уменьшению максимального тока разряда в импульсе. Это свидетельствует о возможности возникновения неустойчивости параметров разряда при определенных условиях. Такая неустойчивость наблюдается в виде периодических (период 1-2 с) изменений длины области свечения разрядного столба и немонотонном распределении интенсивности свечения по его длине [3].

II. Зависимость граничной частоты от давления и амплитуды импульсов

Для ПЭ длиной 10 см измеряли частоту следования импульсов, при которой длина разряда начинала резко возрастать и уменьшаться. Диапазон давлений составлял от 0,25 до 2 Торр. Амплитуда импульсов изменялась от 4 до 15 кВ. На ПЭ прикладывались импульсы положительной полярности длительностью по полуширине 10 мкс.

Для заданной амплитуды импульсов потенциала частота генератора постепенно увеличивалась от минимального до максимального значения, при этом регистрировалась верхняя граничная частота резкого возрастания длины разряда. Затем частоту генератора постепенно уменьшали, определяя нижнюю граничную частоту резкого уменьшения длины. Области переходов не совпадали при увеличении и уменьшении частоты.

Обработка экспериментальных результатов показала (рис. 6), что при увеличении давления воздуха в трубке верхняя граничная частота импульсов для фиксированной амплитуды импульсов сдвигалась в сторону больших частот (более чем в 2 раза). Увеличение амплитуды импульсов приводило к уменьшению верхней граничной частоты. Аналогичное поведение наблюдалось

Рис. 6. Изменение верхней граничной частоты

от давления воздуха для разной амплитуды импульсов потенциала

для нижней граничной частоты. Резкое изменение длины разряда при небольшом изменении частоты свидетельствует о пороговом характере переходного процесса, т.е. резком изменении механизма разряда.

Для определения характера величины влияющей на изменение механизма разряда построим зависимость амплитуды импульсов, при которой происходит переход от одного режима к другому на верхней граничной частоте 1000 Гц от давления. Частота 1000 Гц выбрана из тех соображений, что для наших диапазонов давления и амплитуды импульсов при всех напряжениях граничная частота наблюдается в области от 820 до 1020 Гц. Из построенной зависимости (рис. 7) следует, что амплитуда перехода прямо пропорциональна давлению. Это свидетельствует о том, что отношение амплитуды импульсов к давлению Ф1Э/р постоянно для всего диапазона давлений при фиксированной граничной частоте. Оно составляет в среднем 7,3 кВ/Торр для верхней граничной частоты и 5,5 кВ/Торр для нижней граничной частоты. Отклонение от среднего не превосходит 8%.

Амплитуда импульсов потенциала определяет максимальное значение электрического поля в разрядной трубке под действием которого происходит пробой газа. Отношение электрического поля к давлению газа Е/р является важнейшей характеристикой разрядных процессов [4, с. 43-48], оно определяет энергетический спектр и температуру электронов, их дрейфовую скорость и другие параметры разряда. В результате можно предположить, что изменение механизма разряда на

граничной частоте происходит при некотором пороговом значении приведенного электрического поля Е/р. Если за характерный размер принять длину разрядной трубки 1тр = 2,8 м, то приведенные поля Е/р = фц^А^р) для верхней и нижней граничной частоты будут составлять примерно 26 В/(см'Торр) и 20 В/(см'Торр), соответственно.

Для более детального исследования характера изменения разряда УПГ при изменении частоты импульсов была построена зависимость длины разряда от частоты при ее увеличении и уменьшении (рис. 8).

В данной зависимости наблюдается гистерезис, т.е. граничная частота изменения длины разряда при увеличении частоты (кривая А) не совпадает с граничной частотой при ее уменьшении (кривая В). При давлениир = 0,5 Торр явление гистерезиса выражено наиболее сильно. Как при уменьшении, так и при увеличении давления воздуха в трубке гистерезис уменьшается. Наблюдаемый гистерезис интенсивности свечения разряда свидетельствует об аналогичном изменении и других его параметров, в частности тока разряда, вкладываемой в разряд мощности и других, т.к. эти параметры взаимосвязаны [3].

Для газовых разрядов гистерезис их характеристик довольно распространенное явление. Гистерезис в изменении интенсивности свечения плазмы при увеличении и уменьшении мощности ВЧ генератора наблюдается, например, в области перехода ВЧ-разряда из моды с низкой плотностью плазмы в моду с высокой плотностью [5]. В качестве физической причины появления гис-

Рис. 7. Зависимость от давления амплитуды импульсов, при которой происходит переход от сильноточного режима к слаботочному (А) и наоборот (В) на частоте 1000 Г ц

Рис. 8. Изменение длины разряда УПГ от частоты следования импульсов потенциала. Кривая А - увеличение частоты, В - уменьшение.

Давление воздуха р = 0,5 Торр, фПЭ = 15 кВ

терезиса предложена нелинейная зависимость мощности, вложенной в плазму, от мощности ВЧ генератора. Она является следствием нелинейной зависимости эквивалентного сопротивления плазмы от концентрации электронов и проявляется при условиях, когда эквивалентное сопротивление плазмы мало по сравнению с выходным сопротивлением генератора.

Заключение

Экспериментально установлено существование двух форм разряда униполярного пробоя газа в зависимости от частоты следования прикладываемых высоковольтных импульсов.

При низкой частоте следования импульсов положительной полярности наблюдается сильноточная форма разряда униполярного пробоя газа характеризуемая во всем исследуемом диапазоне амплитуды импульсов малыми размерами области и интенсивности свечения разряда, линейной вольтамперной характеристикой с практически постоянным сопротивлением разрядного столба и более низкой концентрацией заряженных частиц в плазме разряда.

При большой частоте следования импульсов для положительной полярности и во всем диапазоне частот для импульсов отрицательной полярности наблюдается слаботочная форма разряда униполярного пробоя газа, характеризуемая большой длиной и интенсивностью излучения области свечения, нелинейной вольтамперной характеристикой и более высокой концентраци-

ей заряженных частиц в плазме разряда.

Переход от одной формы разряда к другой для положительной полярности импульсов происходит резко в узком диапазоне частот. Частота перехода растет с увеличением давления газа и уменьшением амплитуды импульсов. В области перехода наблюдается развитие неустойчивости разряда с частотой порядка 1 Гц, которая проявляется в виде периодического изменения длины разрядного столба и немонотонном распределении интенсивности свечения по его длине. При увеличении и уменьшении частоты генератора обнаружен гистерезис длины разрядного столба.

Библиографический список

1. Герасимов И. В. Патент РФ .№2076381 «Поверхностный и объемный источник зарядов одного знака» (приоритет от 25.03.1991), БИ 9 (1997).

2. Герасимов И.В. Излучательные свойства разряда униполярного пробоя газа // Журнал технической физики. - 1994. - Т. 65. - С. 30-35.

3. ГерасимовИ.В., СуховА.К., Копейкина Т.П. Влияние частоты следования импульсов высоковольтного потенциала на параметры разряда униполярного пробоя газа // Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова. - 2009. - №3. - С. 30-34.

4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда: Учеб. руководство: Для вузов. 2-е изд. перераб. и доп. -М.: Наука, 1992. - 536 с.

5. Александров А.Ф. и др. Особенности индуктивного ВЧ-разряда низкого давления // Физика плазмы. - 2007. - Т. 33. - №9. - С. 802-827.