CC BY
9УДК 537.521
Н.А. Ашурбеков, К. О. Иминов, Г.Ш. Шахсинов, А.Р. Рамазанов
Эффекты взаимодействия наносекундного плазменно-пучкового разряда с диэлектрическими стенками разрядной камеры
Дагестанский государственный университет, nashurb@mail. ru
Экспериментально исследовано взаимодействие наносекундного плазменно-пучкового разряда с диэлектрической стенкой, ограничивающей разряд. Показано, что после взаимодействия с разрядом в диэлектрике из стеклотекстолита остаются необратимые изменения диэлектрических свойств.
Ключевые слова: наносекундный разряд, пристеночные процессы.
The interaction of nanosecond plasma-beam discharge with dielectric wall limiting the discharge has been experimentally studied. It has been shown that after the interaction with the discharge, there remain irreversible changes of dielectric properties in the dielectric made from glass fiber.
Keywords: nanosecond discharge, parietal processes.
Известно, что в процессе высоковольтного наносекундного пробоя газа формируются электронные пучки в самой газовой среде [1-3]. Свойства таких плазменно-пучковых разрядов во многом определяются условиями на стадии формирования разряда, геометрией катода, а также процессами на границе разрядной камеры - плазма-диэлектрик. В связи с этим интерес представляют разряды с полым катодом, ограниченные диэлектрическими стенками, в которых из-за проникновения плазмы в полость катода и осциллирующего движения в ней электронов может формироваться пучок электронов с энергией до нескольких сот электронвольт [4-7]. Такие разряды позволяют получить токи до сотен ампер при средних и повышенных давлениях газа, необходимые для получения оптической генерации. Преимуществами разряда с полым катодом перед другими аналогичными разрядами являются существенно больший объем разряда, малые рабочие напряжения и возможность управления свойствами пучка.
Цель данной работы - экспериментальное исследование диэлектрических свойств стенки разрядной камеры в процессе и после взаимодействия с наносекундным плазменно-пучковым разрядом.
Общая схема исследования такого разряда представлена в работах [4-7]. С целью исследования влияния состояния диэлектрических стенок разрядной камеры на начальные стадии электрического пробоя газа использовались специальные ограничители области разряда, изготовленные из плоских пластин стеклотекстолита. Они устанавливались вдоль электродов на расстоянии друг от друга, равном ширине щели в катоде, т. е. на расстоянии 2 мм. Для сравнительных исследований изучались диэлектрические свойства материала стенки разрядной камеры до воздействия наносекундного разряда и после него. Отдельно изучались особенности осаждения заряда на диэлектрических поверхностях путем измерения tg^-диэлектрических потерь материала стенки разрядной камеры после ее облучения электронными потоками, сформированными специальной электронной пушкой.
В работе измерялись величины tgö-диэлектрических потерь в зависимости от времени нахождения образца в вакууме, от температуры, от длительности и энергии облучаемого электронного пучка. Кроме того, одновременно с измерением электрических параметров образцов контролировалось газовыделение из них под воздействием электронного пучка и вакуума при помощи квадрупольного масс-спектрометра.
Ниже приводится описание экспериментальной установки для исследования влияния высокого вакуума, температуры и ионизирующих излучений (УФ-излучения и электронного пучка) на диэлектрические свойства ограничителя области разряда.
Общая блок-схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Исследуемые образцы помещались в камеру 1 на специальную подложку, которая дает возможность облучать внешними электронными потоками, УФ-излучением и регулировать температуру образца с помощью высокоточного регулятора температуры 2 (ВРТ-3) в диапазоне 20-170 °С. Система снаб-
жена источником электронов, который формирует электронный пучок регулируемой энергии в диапазоне нескольких кэВ, направленный на подложку для установления образцов. Откачка ведется по трехступенчатой схеме: в первой ступени приведен форвакуумный насос 2, который создает предварительную откачку, при которой возможен запуск высоковакуумных насосов; вторая ступень состоит из турбомолекулярного насоса БХТ75БХ, снабженного системой электронного управления турбомолекулярным насосом. Система электронного управления содержит встроенные средства для защиты насоса от повреждений, вызванных высоким давлением или температурой. Электроника следит за температурой внутри блока управления и температурой мотора внутри насоса. Если какая-нибудь из них превышает допустимую, электроника уменьшает прикладываемую мощность к мотору насоса, и скорость насоса падает. Если давление во входном фланце повышается, мощность прикладываемая к мотору насоса, увеличивается в зависимости от давления газа. Обычно при достижении установленного предела максимальной мощности скорость насоса начинает уменьшаться.
Третья ступень откачки состоит из двух сверхвысоковакуумных насосов 4 типа СВА-0,25. Агрегат СВА-0,25 состоит из магниторазрядного насоса НМД-0,25, клапана «КЭУТ-100», позволяющего перекрыть вакуумную коммуникацию в диапазоне давлений от атмосферного до 10-10 Тор, что надежно защищает насос НМД-0,25 от высоких давлений.
Рис. 1. Общая схема экспериментальной установки для исследования взаимодействия электронных потоков с диэлектрическими материалами. 1 - рабочая камера; 2 - ВРТ-3; 3 - кварцевое окошко; 4 - электронная пушка; 5 - откачка; 6 - источник УФ- излучения; 7 - блок питания; 8 - блок питания электронной пушки; 9 - масс-спектрометр; 10,11 - манометры
Вакуумная камера представляет собой сварной корпус цилиндрической формы, выполненный из нержавеющей стали марки Х18И9Т и имеющий полезный объем 50 литров. Камера имеет множество фланцев для ввода различных напряжений и облучений.
Для уменьшения паразитных отражений излучений от стенок камеры в ней установлен дополнительно тонкостенный цилиндр из меди, имеющий прорези. Этот цилиндр вместе с основной камерой образуют эффект «черного тела».
Для регистрации массового состава остаточных газов, а также возможного газовыделения из исследуемых материалов камера снабжена квадрупольным масс-спектрометром типа Бх1оггХТ-300М, который включает в себя датчик Пирани, а также ионный датчик с горячим катодом. Измерения вакуума датчиком Пирани основано на тепловой конвекции газа. Ионный датчик использует электронную ионизацию остаточных газов для измерения ионного тока в зависимости от давления. Квадрупольный анализатор остаточных газов использует прецизионную механику и электронику для измерения ионных токов в зависимости от парциальных давлений остаточных газов в вакуумной камере. Датчик Пирани начинает работу при атмосферном давлении, ионный датчик при номинальном давлении 10-2 Тор, квадруполь начинает нормальную работу при 10-4 Тор.
Квадрупольный анализатор остаточных газов БХогг ХТ-300М работает в пределах от 1 до 300 а. е. м. Все датчики функционируют под контролем блока управления, подключенного к персональному компьютеру.
Для исследования диэлектрических свойств материалов в процессе и после воздействия на них электронных потоков и УФ-излучения использовался высокочастотный измеритель параметров КЬС-компонентов типа АМ-3026. АМ-3026 позволяет исследовать КЬС-компонентов, материалов и полупроводниковых устройств в широком диапазоне частот (20 Гц...5 МГц с шагом 10 мГц) и уровней испытательного сигнала (от 10 мВ до 5 В). При этом базовая погрешность измерений составляет 0,1%.
Нами выполнены исследования диэлектрических свойств материала стенки разрядной камеры до и после взаимодействия с наносекундным плазменно-пучковым разрядом. В данной работе в качестве диэлектрических ограничителей разряда использовались пластины стеклотекстолита толщиной 4 мм.
Исследуемые образцы помещались в описанную выше вакуумную камеру общим объемом ~ 50 литров.
Для изучения диэлектрических свойств исследуемые диэлектрические образцы из материала ограничителя области разряда помещались между двумя обкладками плоского конденсатора в качестве диэлектрика. Между конденсатором и держателем устанавливалась керамическая пластинка в качестве изолятора. Обкладки конденсатора изготовлены из медных пластинок, причем одна из обкладок, установленная со стороны облучения, имела множество отверстий диаметрами 5 мм и с расстояниями между центрами отверстий 10 мм. Эти отверстия предназначались для проникновения УФ-излучения вглубь материала во время облучения, и через них материал облучался электронными потоками. К обкладкам изготовленного таким образом конденсатора припаяны провода, которые выводятся из камеры через вакуумный электрический разъем и подключаются к цифровому измерителю электрической емкости и ^¿-диэлектрических потерь. Проводились указанные измерения как на фиксированной частоте, так и при сканировании этой частоты в широком диапазоне.
В работе измерялись емкости конденсатора С и ^¿-диэлектрических потерь в зависимости от времени нахождения образца в вакууме, от температуры, дозы УФ-облучения, электронного потока и комбинированного воздействия всех указанных факторов. Кроме того, одновременно с измерением электрических параметров образцов контролировалось газовыделение из них под воздействием указанных факторов при помощи масс-спектрометра.
Измерения показали, что в вакууме диэлектрическая проницаемость е изучаемого конденсатора с образцом в качестве диэлектрика и tg¿ уменьшаются. За первые 20 часов нахождения в вакууме диэлектрическая проницаемость и ^¿-диэлектрические потери уменьшаются до 20 %. В последующем скорость изменения этих параметров уменьшается, а начиная примерно со 100 часов е и tg¿ практически не меняются.
Этот результат использовался нами при проведении экспериментов по ограничению области плазменно-пучкового разряда диэлектрическими стенками так, все электрические и оптические измерения в разрядной камере проводились только по истечении нескольких сот часов нахождения материала в откачанной разрядной камере.
Для композитных материалов, к которым относится стеклотекстолит, £ определяется электронной, резонансной и дипольной ориентационной поляризациями. Соответственно диэлектрическая проницаемость может быть записана в виде:
е = П 2 +Ле рез + Ле дип
Любые изменения в структуре полимера приводят к изменению £. В частности, в вакууме из образца выделяются связанные газы (в основном компоненты воздуха), возможно испарение связанной воды, выделение неотверженных компонентов самого полимера. Все это в простейшем случае приводит к уменьшению плотности образца, а значит и £. Уменьшение диэлектрических потерь, возможно, связано с очисткой полимера и испарением поглощенных в образце паров воды.
Для исследования влияния нагрева на диэлектрические свойства полимера конденсатор с образцов в качестве диэлектрика подвергался многократным циклам нагревания и остывания. При этом образец все время находился в вакууме. Температура образца поднималась от комнатной до 120 °С примерно по линейному закону с помощью регулятора температуры ВРТ-3 за время, равное ~ 60 мин. Остывание образца до комнатной температуры происходит за большее время, и последнее определялось скоростью теплообмена образца с частями установки.
Температура образцов контролировалась с помощью термопарных датчиков, установленных в непосредственном контакте с образцами.
Исследование показало, что с увеличением температуры диэлектрическая проницаемость е возрастает, а tg¿-диэлектрических потерь имеет экстремальный характер: с увеличением температуры от комнатной до ~ 90 °С, tg¿ уменьшается, а от 90 до 120 °С - растет.
Выяснение конкретного механизма влияния температуры на диэлектрическую проницаемость и tg¿-диэлектрических потерь требует проведения дополнительных исследований.
На рис. 2 приведена частотная зависимость разности ^¿-диэлектрических потерь двух образцов, один из которых подвергался воздействию наносекундного плазменно-пучкового разряда в течение длительного времени (более 30 дней), второй образец - до воздействия разряда. Из этого рисунка видно, что в области низких частот и при частотах примерно 3 МГц ^¿-диэлектрических потерь после воздействия плазменно-пучкового разряда испытывает необратимые изменения.
С целью изучения изменения диэлектрических свойств непосредственно в процессе взаимодействия с образца с электронными потоками исследуемый образец облучался непрерывным электронным потоком с током пучка 10 мА и с энергией до 10 кэВ непосредственно в вакуумной камере. Во время облучения измерялись электрическая емкость и tg5-диэлектрических потерь образца. Кроме того, контролировались температура полимера и состав газов, выделяющихся из полимера.
Измерения показали, что облучение образца электронным потоком вызывает повышение его температуры с комнатной до 50 °С. За первые 45 минут воздействия пучка происходит монотонный рост диэлектрической проницаемости е образца, в то же время ^¿-диэлектрических потерь за первые 15 минут облучения слегка уменьшается, а затем растет в несколько раз.
Ай
Рис. 2. Разность между значениями tg5-диэлектрических потерь материала стенки разрядной камеры после и до взаимодействия образца с наносекундным разрядом
После прекращения облучения tg5 резко уменьшается в течение 15 минут, затем выходит на стационарное значение, причем после облучения образца электронным потоком с энергией 10 кэВ и током 10 мА - релаксация остаточных явлений длится более 60 минут.
Известно, что в области низких частот ¿¿^¿-диэлектрических потерь материала определяется его проводимостью [8]: о»юг0г tgS.
Оценки, выполненные по этой формуле на основе измеренных значений tg5-диэлектри-ческих потерь, дали величину плотности захваченных материалом зарядов порядка 108-109 см-3.
Изменение диэлектрических свойств материала диэлектрика под воздействием вакуума, температуры и электронных потоков изучалось одновременно с контролем массового состава газов, выделяемых из материала. Характерные панорамные масс-спектры остаточных газов приведены на рис. 3.
Как при прогреве образца в интервале температур (20-150)°, так и в процессе его облучения электронными потоками из диэлектрика выделяются газовые компоненты с массовыми числами 2, 12, 17 18, 28, 44. В наибольшем количестве выделялись компоненты с массовыми числами 18, 28, 44.
Массовое число 18, по-видимому, соответствует Н2О, поскольку сам материал может поглотить пары воды,а кроме того, Н2О может входить в состав компонентов полимеров.
Масс-спектр паров воды содержит в качестве сопутствующих пиков ОН+(17), О(16), Н2(2) с относительными высотами, удовлетворяющими соотношению:
Н2О(18) : ОН+(17) : О+(16) : Н2+(2) = 1 : 0,3 : 0,02 : 0,01
Пик с массовым числом 44 может соответствовать СО2 или С3Н8. Однако если бы из материала выделялись сложные углеродные соединения типа С2Н8 или С3Н8, то их масс-спектр содержал бы большое число сильных сопутствующих пиков.
о 8.0x10-
2.0x10"'- 1-1.2
У
l/U_J
15 а.е.м.
Рис. 3. Характерный панорамный масс-спектр остаточных газов в вакуумной камере до помещения образцов
Такого разнообразия пиков в масс-спектре нет, поэтому пик 44 соответствует СО2. Сопутствующими пиками для СО2 являются СО (28), О (16), С (12) с относительными высотами СО2(44) : СО(28) : О+(16) : С+(12) = 1 : 0,12 : 0,04 : 0,01.
Таким образом, исследование взаимодействия наносекундного плазменно-пучкового разряда с диэлектрической стенкой, ограничивающей разряд, показало, что:
1) после взаимодействия с разрядом в диэлектрике из стеклотекстолита остаются необратимые изменения диэлектрических свойств;
2) в процессе взаимодействия с электронными потоками tg ¿-диэлектрических потерь сильно растет, а после прекращения воздействия электронных потоков релаксационные процессы длятся несколько десятков минут;
3) в процессе облучения электронными потоками и в результате воздействия вакуума из изучаемого диэлектрика выделяются в основном компоненты воздуха и пары воды.
Работа выполнена при поддержке ЦКП «Аналитическая спектроскопия», ГК № 16.552.11.7051 по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы».
Литература
1. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов. - М.: Наука, 1991. - 224 с.
2. Бабич Л.П. Анализ нового механизма убегания электронов и рекордных токов убегающих электронов, достигнутых в разрядах в плотных газах // УФН. 2005. Т. 175, № 10. - С. 10691091.
3. Тарасенко В.Ф., Яковленко С.И. Об убегании электронов и генерации мощных субнаносе-кундных пучков в плотных газах // УФН. 2006. Т. 176, № 7. - С. 793-796.
4. Ашурбеков Н.А., Иминов К.О., Кобзева В.С., Кобзев О.В. Формирование ускоренных электронов и их влияние на структуру наносекундного разряда с щелевым катодом // ТВТ. 2007. Т. 45, № 3. - С. 485-491.
5. Ашурбеков Н.А., Иминов К.О., Кобзева В.С., Кобзев О.В. Электрические и оптические характеристики наносекундного разряда с щелевым катодом, ограниченного диэлектрическими стенками // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. Вып. 1. - С. 17-25.
6. Ашурбеков Н.А., Иминов К.О., Кобзева В.С., Кобзев О.В. Особенности механизмов формирования открытого и ограниченного поперечного наносекундного разряда с щелевым катодом // ТВТ. 2009. Т. 47, № 3. - С. 338-343.
7. Ашурбеков Н.А., Иминов К.О., Кобзев О.В., Кобзева В.С. Формирование высокоэнергетич-ных электронов в поперечном наносекундном разряде с щелевым катодом при средних давлениях рабочего газа // ЖТФ. 2010. Т. 80. Вып. 8. - С. 63-70.
8. Электрические свойства полимеров / Под ред. Б.И. Сажина. - Л.: Химия, 1986. - 224 с.
Поступила в редакцию 02.10.2011 г.
1.0x10 -
28
18
6.0x10 -
а 4.0x10-
32
0
5
10
20
25
30
