CC BY
40
Характеристики сильноточного импульсного разряда в воздухе с эктонным механизмом инжекции паров меди
в разрядный промежуток
*А. К. Шуаибов, А. Й. Миня, З. Т. Гомоки, В. В. Данило, Р. B. Пинзеник
Государственное высшее учебное заведение «Ужгородский национальный университет», г. Ужгород, 88000, Украина, e-mail: alexsander.shuaibov@uzhnu.edu.ua
Приведены характеристики биполярного сильно перенапряженного наносекундного разряда в воздухе между электродами из меди. При межэлектродном расстоянии 1-2 мм и давлении воздуха 0,05-3,0 атм реализованы условия получения однородного объемного разряда в неоднородном электрическом поле, связанные с генерацией рентгеновского излучения. Показано, что данный разряд является простым точечным источником излучения в спектральном диапазоне 200-230 нм на переходах однозарядных ионов меди. Приведены результаты оптимизации УФ-излучателя в зависимости от условий накачки и параметров разрядной среды.
Ключевые слова: биполярный наносекундный разряд, медь, воздух, спектр излучения и пропускания, наноструктуры.
УДК: 537.52:621.327 Б01: 10.5281/7епоао.1168351
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время наиболее эффективными и мощными газоразрядными ультрафиолетовыми лампами являются эксиплексные лампы на электронно-колебательных переходах моногало-генидов инертных газов (ХеС1, ХеБг, КгБ, КгС1 и других подобных молекулах) с накачкой разными видами барьерного разряда [1, 2]. Не менее эффективными эксиплексными лампами для видимой области спектра являются излучатели на моногалогенидах ртути с рабочей средой на основе солей дигалогенидов ртути [3]. Они получают широкое распространение в фотохимии, фотобиологии, микронаноэлектронике, медицине, экологии и ряде других областей науки и техники [4, 5]. Излучают эти лампы в виде одной полосы шириной до 10 нм или нескольких таких полос, но перекрывают излучением спектральный диапазон 120-355 нм, только частично. Окно в спектральном интервале 210-220 нм не перекрывается излучением эксиплексных газоразрядных ламп.
Для ряда спектроскопических применений требуются «точечные» источники сравнительно интенсивного УФ-излучения с объемом плазмы на уровне 1-5 мм3, которые невозможно технически реализовать с помощью барьерного разряда [6]. Поэтому актуальной является разработка «точечной» УФ-лампы на парах меди, перекрывающей спектральный интервал 200-230 нм. Основным газом такой лампы может быть воздух при давлении р = 1 атм, что важно для разработки безоконных точечных ламп с недорогой рабочей средой, свободных от
проблем загрязнения рабочего окна продуктами распыления электродов. В плазме наносекунд-ных разрядов в воздухе одним из основных накопителей энергии являются молекулы азота в метастабильном состоянии. Энергия с этих состояний эффективно передается атомам меди [7]. Ступенчатое возбуждение и ионизация мета-стабильных или квазиметастабильных атомов меди способствуют образованию ионов меди в возбужденных состояниях.
Исследование импульсных разрядов между металлическими электродами в воздухе при их зажигании от генераторов высоковольтных импульсов наносекундной длительности показало, что на их основе могут быть разработаны селективные «точечные» ультрафиолетовые (УФ) лампы, наполненные парами материала электродов [8]. Такие разряды в воздухе атмосферного давления при малых межэлектродных расстояниях ^ = 1-2 мм) являются пространственно однородными даже при сильно неоднородном распределении напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке. Они зажигаются в сильно перенапряженных газовых промежутках и могут сопровождаться генерацией пучка убегающих электронов и сопутствующего рентгеновского излучения [9]. Убегающие электроны и сопутствующее рентгеновское излучение выполняют роль автоматической предыонизации, что важно при использовании подобных разрядов в качестве ультрафиолетовых излучателей. Характеристики подобных излучателей наиболее детально исследованы при использовании монополярных импульсов высокого напряжения длительностью 1-5 нс [10].
© Шуаибов А.К., Миня А.Й., Гомоки З.Т., Данило В.В., Пинзеник Р.В., Электронная обработка материалов, 2018, 54(1), 46-50.
Поскольку спектры излучения этих разрядов в УФ-диапазоне длин волн определяются спектральными линиями атомов и ионов материала электродов, то представляет интерес исследование оптических характеристик плазмы таких излучателей и с накачкой импульсами тока и напряжения порядка 50-100 нс. Применение биполярных импульсов высокого напряжения делает разрядное устройство более компактным, что позволяет равномерно использовать материал электродов при его разрушении в сильных электрических полях за счет эктон-ного механизма ввода паров металла в разрядную плазму воздуха [11]. Под эктонами подразумевают возникновение кратковременных лавин электронов, когда условия для своей эмиссии эти электроны обеспечивают сами. Термин «эктон» происходит от начальных букв английского выражения "explosive centre". Появление эктонов в высоковольтных газовых разрядах обычно связывают с автоэлектронной эмиссией с катодных микровыступов, плотность тока в подобных разрядах достигает 10-10у А/см2, что приводит к взрывам микровыступов на поверхности катода. Время эмиссии электронов не превышает 10 нс, а в дальнейшем эмиссия сама по себе затухает, поскольку взрывной центр самоохлаждается вследствие высокой теплопроводности металлического катода. Эти процессы сопровождаются спадом плотности тока и уменьшением массы выброса материала электрода [12, 13].
В настоящей статье приводятся результаты исследования пространственных, электрических и оптических характеристик биполярного сильноточного разряда с медными электродами в воздухе.
ТЕХНИКА И УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Конструкция системы электродов, между которыми зажигался наносекундный разряд в воздухе, представлена на рис. 1. Электроды устанавливались в герметичную камеру из диэлектрика объемом 3 литра. Большинство экспериментов проведено в безоконном режиме работы УФ-излучателя (когда выходное окно из кварца отсутствовало) при давлении воздуха 1 атм. Перед напуском воздуха в камеру она могла откачиваться до остаточного давления воздуха 5-10 Па. Давление в камере варьировалось в диапазоне (0,05-3,0) атм.
Для уменьшения влияния электромагнитных наводок на систему регистрации характеристик разряда ячейка с системой электродов устанавливалась в экран из металлической сетки. Диаметр цилиндрических медных электродов равнялся 5 мм, а радиус закругления рабочей торцевой части электродов - 3 мм.
Рис. 1. Схема разрядной камеры: 1 - медные электроды;
2 - высоковольтные вводы-держатели электродов из меди;
3 - вакуумная камера из диэлектрика; 4 - окно из кварца марки КУ.
Для зажигания разряда на электроды подавались биполярные импульсы высокого напряжения общей длительностью 50-100 нс и амплитудой ±(20-40) кВ. При этом между кончиками электродов зажигался однородный разряд с амплитудой импульсов тока 50-170 А [14]. Объем плазмы не превышал 5-10 мм3. При межэлектродном расстоянии 1 мм разрядный промежуток был сильно перенапряжен. При таком режиме зажигания разряда создавались благоприятные условия для формирования пучка электронов высокой энергии, которые вступали в режим непрерывного ускорения и покидали разрядный промежуток [3]. Как показали прямые измерения интенсивности пучка убегающих электронов, проходящих через тонкий металлический пленочный анод, в наносекундном сильноточном разряде в азоте при разрядном напряжении порядка 30-35 кВ и расстоянии между электродами 2-20 мм пучок убегающих электронов формируется только при давлениях азота, меньших 100 торр [15]. Поэтому в условиях нашего эксперимента при давлении воздуха в диапазоне р = 1-3 атм основным фактором, способствующим формированию сравнительно однородного наносекундного разряда, является действие системы предварительной ионизации, роль которой в данном случае выполняют УФ-ВУФ и рентгеновское излучение плазмы разряда.
Импульсы напряжения на разрядном промежутке и ток разряда измерялись с помощью широкополосного емкостного делителя, пояса Роговского и широкополосного осциллографа 6-ЛОР 04. Временное разрешение этой системы регистрации составляло 2-3 нс. Исследование пространственных характеристик разряда прово-
дилось с помощью цифровой фотокамеры. Частота следования импульсов варьировалась в диапазоне / = 35-1000 Гц. Для регистрации спектров излучения плазмы использовались монохроматор МДР-2, фотоумножитель ФЭУ-106, усилитель постоянного тока и электронный потенциометр. Излучение плазмы разряда анализировалось в спектральной области 200-650 нм. Система регистрации излучения плазмы калибровалась по излучению дейте-риевой лампы в спектральном диапазоне 200-400 нм и банд-лампы в диапазоне 400-650 нм.
Измерение суммарной относительной мощности УФ-излучения разряда в спектральном диапазоне 200-280 нм проводилось с помощью ультрафиолетового измерителя мощности излучения «ТКА-ПКМ».
ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО СИЛЬНОТОЧНОГО РАЗРЯДА
В статье приведены результаты исследования пространственных, электрических и оптических характеристик сильноточного наносекундного разряда на парах меди и воздуха при условии взрывов микроострий на поверхности электродов и формирования эктонов, а также при сильном перенапряжении разрядного промежутка в воздухе при давлениях 1-3 атм.
(а) (б)
Рис. 2. Фотографии разряда в воздухе атмосферного давления при расстоянии между электродами С = 1 мм и частотах следования импульсов напряжения 40 (а) и 400 (б) Гц.
Фотографии разрядов при разных частотах следования импульсов напряжения в воздухе атмосферного давления приведены на рис. 2. При небольших частотах следования импульсов накачки / = 35-150 Гц разряд имел диффузный вид, а диаметр сферического плазмообразования в разрядном промежутке был примерно равен величине межэлектродного расстояния (рис. 1а). При увеличении частоты следования импульсов напряжения до 400-1000 Гц диаметр плазмооб-разования увеличивается в 3-4 раза и охватывает новые участки поверхности сферической части электродов (рис. 1б). Такое поведение разряда может быть обусловлено остаточными явле-
ниями в плазме, когда плотность заряженных частиц не успевает релаксировать к своему начальному значению в межимпульсный период.
Диффузный вид исследуемого разряда при атмосферном давлении воздуха подтверждается результатами исследования пространственных характеристик поперечного наносекундного разряда без специальной системы предыони-зации, зажигаемого от модулятора с амплитудой импульсов напряжения, меньшей 35 кВ, в азоте при р = 30-760 торр. Фотографирование этого разряда с параллельным исследованием его пространственных характеристик с помощью ССБ камеры показало, что диффузный вид подобных разрядов сохраняется на протяжении всей длительности импульса напряжения и при разных частотах следования [15].
Рис. 3. Импульсы напряжения и тока биполярного наносе-кундного разряда при давлении воздуха р = 101,325 кПа (С = 1 мм).
Из-за несогласования выхода высоковольтного модулятора с разрядом и наличия отраженных импульсов от разрядного промежутка с плазмой импульс напряжения состоял из отдельных пичков длительностью примерно 5-10 нс. Длительность основной части цуга импульсов напряжения достигала 50-100 нс. Биполярные пички импульса напряжения имели амплитуду положительной и отрицательной составляющих до 30 кВ (рис. 3). Импульсы тока наносекунд-ного разряда представляли собой последовательность коротких биполярных пичков тока с амплитудой положительных и отрицательных выбросов 120-150 А. Общая длина последовательности пичков тока со спадающей по времени амплитудой достигала 150-200 нс (рис. 3). Путем графического умножения осциллограммы импульсов тока и напряжения было получено распределение по времени импульсного энерговклада в плазму биполярного наносекундного разряда. Максимальная импульсная мощность разряда наблюдалась в начальной стадии пробоя разрядного промежутка и достигала 4 МВт.
700 600 500 3 400 о 300 200 100 0
303,975 кПа 101,325 KJ 1а
Гг?
д» и
"3?
200 210 220 230 240 250 X, нм
Рис. 5. Участок спектра излучения плазмы с наиболее интенсивными спектральными линиями излучения атомов и ионов меди при давлении воздуха 101,325 кПа и 303,975 кПа (Ц = 13 кВ, d = 1 мм и f = 40 Гц).
400 600 Г, Гц
Рис. 4. Зависимости относительной интенсивности УФ-излучения плазмы биполярного наносекундного разряда в спектральном диапазоне 200-280 нм от частоты следования импульсов тока при зарядном напряжении рабочего конденсатора высоковольтного модулятора из = 13 кВ (1) и от величины зарядного напряжения рабочей емкости высоковольтного модулятора (2) (при / = 35 Гц).
Результаты отождествления наиболее интенсивных спектральных линий в спектре излучения биполярного наносекундного разряда в воздухе (р = 1 атм, d = 1 мм и / = 100 Гц)
X, нм Объект Iотн.ед. Ет эВ Ев, эВ Переход
203,1 Cu II 15 8,23 14,34 4p 3P0-4d 3Р
203,5 Cu II 30 2,98 9,06 4s 3D-4p 3D0
203,7 Cu II 30 2,83 8,92 4s 3D-4p 1F0
204,3 Cu II 60 2,72 8,78 4s 3D-4p 3D0
205,4 Cu II 50 2,83 8,86 4s 3D-4p 3D0
212,6 Cu II 50 2,83 8,66 4s 3D-4p 3F0
213,5 Cu II 75 2,72 8,52 4s 3D-4p 3F0
224.1 Cu I 2 11,83 17,36 4d 4D-150
224,7 Cu II 75 2,72 8,32 4s 3D-4p 3P0
Интегрирование по времени импульсной мощности позволило определить электрическую энергию, которая вносилась в плазму исследуемого разряда за время одной последовательности импульсов напряжения и тока. Для условий зажигания биполярного наносекундного разряда при давлении воздуха в 1 атм и других условиях, приведенных под рис. 2, эта величина энергии в максимуме достигала Е = 105 мДж [14].
На рис. 4 приведены зависимости средней мощности УФ-излучения плазмы разряда (в отн. ед.) в спектральном диапазоне 200-280 нм от частоты следования импульсов напряжения (тока) и величины зарядного напряжения рабочей емкости высоковольтного модулятора.
Как видно из рис. 4, зависимость мощности УФ-излучения разряда от частоты была нелинейной, максимальное ее увеличение наблюдалось в диапазоне частот 40-50 Гц. При увеличении частоты следования импульсов напряжения
от 50 до 1000 Гц средняя мощность УФ-излучения разряда повышалась примерно на порядок. Увеличение же зарядного напряжения рабочего конденсатора от 13 до 20 кВ (при / = 35 Гц) приводило к росту мощности УФ-излучения разряда примерно в два раза. Полученные результаты показывают, что для повышения средней мощности УФ-излучения разряда наиболее перспективным является увеличение частоты следования импульсов напряжения.
Исследование спектральных характеристик излучения разряда показало, что примерно 90% его мощности излучения плазмы в спектральном диапазоне 200-1000 нм сосредоточено в спектральном интервале 200-230 нм.
На рис. 5 представлен участок спектра излучения (X = 200-230 нм) плазмы наносекундного разряда в воздухе между электродами из меди. Спектр приведен к чувствительности фотоумно-
жителя и монохроматора в этом спектральном диапазоне длин волн. Увеличение давления воздуха в диапазоне 1-3 атм приводило к увеличению интенсивности всех спектральных линий в диапазоне длин волн 200-230 нм.
Как и для менее мощного униполярного нано-секундного разряда между медными электродами [8], основными в спектре излучения были спектральные линии ионов меди. Полученный нами спектр УФ-излучения также хорошо корре-лируется со спектром излучения униполярного наносекундного разряда с пучком убегающих электронов (при длительности импульсов напряжения 1-5 нс между электродами из меди и d = 0,5 мм) [10].
Результаты отождествления спектра излучения приведены в таблице.
Поскольку в условиях настоящего эксперимента основным механизмом попадания в плазму паров меди является эктонный (взрыв микроострий на поверхности электродов), при котором плотность электронов в плазме может достигать 1016-1017 см-3 [11], то механизм образования возбужденных ионов меди может определяться процессами возбуждения ионов меди в основном состоянии электронами, а также процессами электрон-ионной рекомбинации. Эффективные сечения этих процессов, например для ионов индия, цинка и кадмия, достаточно велики и достигают 10-16 см2 [16, 17].
ВЫВОДЫ
Установлено, что наносекундный разряд в воздухе атмосферного давления между электродами из меди при сильном перенапряжении разрядного промежутка является селективным источником излучения ионов меди в спектральном диапазоне 200-230 нм; достигнут максимальный импульсный энерговклад в плазму -4 МВт, а энергия, вкладываемая в разряд за один импульс, составляет примерно 0,1 Дж; наиболее вероятным механизмом возбуждения
УФ-излучения ионов меди являются эктонный механизм эрозии поверхности медных электродов, дальнейшее возбуждение и ионизация атомов и ионов меди электронным ударом, а также образование ионов Cu+* в процессах электрон-ионной рекомбинации двухзарядных ионов меди и электронов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Shuaibov A., Minya A., Gomoki Z., Critzak R. et al.
J of Electrical Engineering. 2014, 2(2), 96-100.
2. Heneral A.A., Avtaeva S.V. J Phys D Appl Phys.
2017, 50, 495202.
3. Malinina A.A., Shuaibov A.K., Malinin A.N. IOSR
Journal of Applied Physics. 2017, 9(1), 51-57.
4. Шуаибов А.К., Шевера И.В., Шимон Л.Л., Соснин Е.Ф. Современные источники ультрафиолетового излучения: разработка и применения. Ужгород-Томск: Говерла, 2006. 222 с.
5. Шуаибов А.К. Многоэлектродный коронный разряд
в газах высокого давления. Ужгород: Говерла, 2015. 136 с.
6. Bakst T.Kh., Tarasenko V.F., Shufko Yu.V., Erofeev M.V. Quantum Electronics. 2012, 42(2), 153-156.
7. Lomaev M.I., Beloplotov D.V., Sorokin D.A., Tarasenko V.F. Opt Spectrosc. 2016, 120(2), 171-175.
8. Shuaibov A.K., Laslov G.E. and Kozak Ya.Ya. Optics and Spectroscopy. 2014. 116(4), 552-556.
9. Runawayelectronspreionized diffuse discharge. Ed. by V.F. Tarasenko. New.York: Nova Science Publishers Inc., 2014. 578 p.
10. Автаева С.В., Жданова О.С., Пикулев A.A., Соснин Э.А. и др. Новые направления в научных исследованиях и применении эксиламп. Томск: STT, 2013.
11. Шуаiбов О.К., Миня О.Й., Гомош З.Т., Данило
В.В. Безвконна, точкова, ультрафюлетова лампа. Украна патент на корисну модель. U 2016 04596. 10.11.2016. Бюллетень № 21.
12. Бугаев С.П., Литвинов Е.А., Месяц Г.А., Проску-ровский Д.И. УФН. 1975, 115(1), 101-120.
13. Mesyats G.A. Usp Fizich Nauk. 1995, 165(6), 601-626.
14. Shuaibov A., Mynia O., Chuchman M., Homoki Z.
et al. Proceedings of the XIII International Conference "Electronics and Applied Physics. October 24-27, 2017, Kyiv, Ukraine. 151-152.
15. Бакшт Е.Х., Бураченко А.Г., Ломаев М.И., Панченко А.Н. и др. Квантовая электроника. 2015, 45(4), 366-370.
16. Ovcharenko E.V., Imre A.I., Gomonai A.N., Hutych Yu.I. J Phys B At Mol Opt Phys. 2010, 43(17), 230-234.
17. Gomonai A.N. J Appl Spectrosc 2015, 82(1), 17-22.
Поступила 18.07.17
Summary
The characteristics of a bipolar high-current nanosecond discharge in the air between the copper electrodes is given. With an inter-electrode distance of 1-2 mm and the air pressure of 0.05-3.0 atm the conditions of obtaining a homogeneous volume discharge in the inho-mogeneous electric field, associated with the generation of a beam of runaway electrons and concomitant X-ray radiation, are realized. It is shown that this discharge is a simple point source of radiation in the spectral range of 200-230 nm on the transitions of singly charged copper ions. The results of optimization of the UV-emitter depending on the pump conditions and parameters of the discharge medium are provided. It is found that, under the influence of a discharge, a deposition of thin nanostruc-tured membranes made of electrodes erosion products and products of dissociation of air molecules is possible.
Keywords: bipolar nanosecond discharge, copper, air, emission and transmission spectrum, nanostructures.
