ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛОЖИТЕЛЬНО ЗАРЯЖЕННОЙ СТРУКТУРЫ В ПОПЕРЕЧНОМ НАНОСЕКУНДНОМ РАЗРЯДЕ С ЩЕЛЕВЫМ КАТОДОМ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 537.521

H.A. Ашурбеков, К. О. Иминов, О.В. Кобзев, Э.И. Абдурагимов

Исследование процессов формирования положительно заряженной структуры в поперечном наносекундном разряде с щелевым катодом

Дагестанский государственный унuверсuтет;[email protected]

Численными методами исследовано формирование положительно заряженной плазменной структуры за счет проявления инерционных свойств заряженных частиц в плазме поперечного наносекундного разряда с щелевым катодом. Установлено, что данная структура в процессе развития разряда может играть роль виртуального анода, что вызывает ограничение предельного тока разряда.

Ключевые слова: поперечный наносекундный разряд, щелевой катод.

The formation of transversal nanosecond discharge with slot cathode with positively charged plasma structure in plasma due to the manifestation of inertial properties of charged particles has been investigated by means of numerical methods. It has been established that this structure can play the role of virtual anode in the process of discharge formation, which results in the limitation of maximum discharge current.

Keywords; transversal nanosecond discharge, slot cathode.

В последние годы интенсивно изучаются характеристики, свойства и размеры плазменных структур, формирующихся нелинейным взаимодействием электрического поля с потоками заряженных частиц в самоорганизующейся плазме [1-3]. Несмотря на большое количество работ по слабоионизованной плазме и переносу тока в электрических разрядах, проблема фокусировки тока и электрического поля в плазменные структуры остается все еще нерешенной.

Особый интерес представляют исследования условий и механизмов самоорганизации и формирования плазменных структур в более сложных разрядных условиях, например, в импульсных наносекундных разрядах, в которых в процессе электрического пробоя газа формируется пучок быстрых электронов с энергией до нескольких кэВ [4-5]. В этих условиях возникает ряд специфических явлений, которые требуют отдельного исследования.

Целью данной работы является экспериментальное и численное исследование закономерностей формирования положительно заряженной плазменной структуры в поперечном наносе-кундном разряде с щелевым катодом в инертных газах в зависимости от давления газа и амплитуды прикладываемого напряжения.

Для решения поставленной задачи была разработана и собрана автоматизированная экспериментальная установка. Она состояла из генератора высоковольтных наносекундных импульсов напряжения, собранного по схеме Блюмляйна, специальной разрядной камеры с щелевым катодом и цифровой системы регистрации с выводом всех результатов измерений на персональный компьютер.

Разрядная камера представляла собой цилиндрическую кварцевую трубку диаметром 3 см, длиной 25 см, в которую были впаяны два алюминиевых электрода - катод и анод. Расстояние между ними составляло 0,6 см. Анод представлял собой плоскую пластину длиной 5 см, шириной 2 см и толщиной 0,5 см, катод - цилиндрический стержень длиной 5 см, диаметром 1,2 см, вдоль всего катода прорезана щель высотой 0,2 см и глубиной 0,6 см. Схематический вид разрядной камеры и электродного узла приведен на рис. 1.

Для исследования электрических характеристик поперечного наносекундного разряда использовался метод осциллографирования вольт-амперных характеристик разряда с наносе-кундным временным разрешением. В качестве регистрирующего прибора использовался цифровой осциллограф TektronixTDS 2024B с временным разрешением 2,5 нс.

Для измерения тока разряда последовательно разрядному промежутку включался распределенный шунт из малоиндуктивных сопротивлений величиной 0,1 Ом. Напряжение на разрядном промежутке измерялось омическим делителем, собранным из малоиндуктивных сопротивлений с соответствующей коррекцией в области высоких частот.

(f^b

Рис. 1. Схематический вид разрядной камеры и электродного узла: 1 - кварцевая трубка, 2 - анод, 3 - щелевой катод

Для исследования пространственной динамики оптического излучения разряда использовалась цифровая система регистрации на основе ПЗС-камеры 8опуЬТУ-СМИ-400.

Были выполнены систематические экспериментальные исследования электрических характеристик и структуры пространственного распределения оптического излучения разряда в гелии и аргоне в диапазоне давлений газа 1-100 Тор и амплитуд импульсов прикладываемого к электродам напряжения 0,5-4 кВ.

Характерные осциллограммы напряжения горения, тока разряда и оптические картины поперечного наносекундного разряда в гелии и аргоне приведены на рис. 2.

500

1000

1500

2000

т 1

1 * 1

1 1 01 W

1 1

i ( /|

----1

1,А

0

100 200 300

400

100

200

300 t,HC

400

500

600

б)

Рис. 2. Осциллограммы напряжения горения, тока разряда и оптические картины свечения разряда: а) в гелии, р = 10 Тор, б) в аргоне,р = 5 Тор

На характерных картинах распределения оптического излучения между электродами и в щели катода видно, что при повышенных значениях величины прикладываемого напряжения (и0 > 2,5 кВ) у выхода из щели катода появляется плотное плазменное образование яйцевидной

0

0

формы. С увеличением значения и0 интенсивность излучения плотного плазменного образования увеличивается. Интенсивность излучения из ярко светящейся области у выхода из полости катода многократно больше, чем интенсивность излучения из других областей разряда, что свидетельствует о неравномерном распределении концентрации возбужденных атомов и ионов, а следовательно, и заряженных частиц в разрядном промежутке.

Для количественной оценки полученных экспериментальных данных по формированию плазменной структуры у выхода из щели в катоде в исследуемом наносекундном разряде нами была составлена система дифференциальных уравнений, состоящая из уравнений для изменения концентрации электронов и ионов, а также уравнения Пуассона. Проведенные нами оценки для наносекундных разрядов в инертных газах с параметрами (Е/Ы)рпорядка 100 Тд и давлением газа в несколько десятков Тор показали, что можно исключить влияние диффузионных процессов переноса электронов и ионов, конвективных процессов переноса ионов и изменения плотности частиц газа (Ы) из-за его нагрева в формировании плазменной структуры у выхода из щели в катоде. В этих условиях незначительна также роль процессов ступенчатой ионизации. Внутренние поля в рассматриваемом приближении определяются только ионизацией прямым электронным ударом и дрейфовым переносом электронов в электрическом поле, формируемом объемным зарядом. Исходя из этого, при составлении системы уравнений нами были учтены только прямая ионизация атомов из основного состояния и дрейфовый уход электронов из разрядного промежутка. Полученная система уравнений для начальных стадий развития разряда имеет следующий вид:

^ + д{пЛх) + д{пеьеу) = ^, дЛ дх ду ' е

^ = Чпе, (1)

дЛ

дЕ дЕу

—х + —у- = 4пр = 4ре(П' - пе),

дх ду

где Vех = теЕх, V = /теЕу, Е = —, Е = —, р - потенциал на аноде, ¡1е - подвижность элек-

дх у ду

тронов, V' - частота ионизации атомов электронным ударом, Ы0 = 3.3 -1016 • р(Тор) см 3 - концентрация нейтральных атомов, V - скорость электронов, Е - напряженность электрического

поля, е = 4.803-10-1°(ед. СГСЭ), Ь = 0,6 см,у1 = 0,1 см.

Начальные и граничные условия выбирались исходя из условий эксперимента р (Л = 0, х, у) = р0 у (у) ед. СГСЭ, р0 = 0.5 - 3 ед. СГСЭ.

Пе (Л = 0, х, у) = П' (Л = 0, х, у) = Пе0 У (у) см"3, П^ = 10" см-3,

р(Л, х = 0, у) = 0, р(Л, х = Ь, у) = р0,

пе (Л, х = 0 у) = п' (А х = 0 у) = 0, пе (А х = Ь, у) = Пе0 , П (Л, х = Ь, у) = п + —0

Ь • е

пе 0, х, у = -у1) = п' 0, х, у = -у1) = пе0 У (у = -Уl),

пе х, у = У1) = п' <Л х. У = У1) = пе0 У( У = Уl), у

У(х, у) = У0 • х • ехр^- — (х • (Ь - х))

Здесь у (г)- некоторая функция, характеризующая поперечный профиль распределения электрического потенциала. Следует отметить, что при определении начальных и граничных условий распределение концентрации электронов и ионов считалось неоднородным. Специфика моделирования состоит в неравномерном боковом дрейфе частиц вблизи выхода из щели в катоде, который в итоге и приводит к образованию локальной области усиленного электрического поля.

Решение поставленной задачи производилось методом конечных разностей. Третье уравнение системы решалось с применением итерационного метода Либмана [6-8]. Были рассчитаны распределения электронов, ионов и электрического поля в промежутке исследуемого импульсного плазменно-пучкового разряда наносекундной длительности при различных начальных и граничных условиях. Характерная расчетная картина пространственного распределения потенциала электрического поля приведена на рис. 3.

Рис. 3. Характерные рассчитанные картины пространственного распределения потенциала между анодом и катодом (трехмерное изображение и выделенная линия вдоль центра разрядной области). Начальная концентрация п0= 2.5Т010, начальный потенциал ф = 2.1 ед. СГСЕ

Расчеты показали, что при неоднородном характере процессов продольного и поперечного дрейфа электронов и ионов формируется нескомпенсированный заряд и обусловленный им профиль электрического поля, который приводит к образованию локальной области усиленного электрического поля.

Таким образом, проявление инерционных свойств заряженных частиц при их взаимодействии с внешними электрическими полями может привести к формированию областей с усиленным электрическим полем, в которых интенсивно протекают процессы электронного возбуждения и ионизации атомов, формируя тем самым плазменные структуры непосредственно у выхода из щели в катоде. Эта область может играть роль виртуального анода на определенных стадиях развития наносекундного разряда, что приводит к ограничению предельного тока разряда.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», ГК№ 02.740.11.0570 с использованием оборудования ЦКП «Аналитическая спектроскопия», ГК № 16.552.11.7051 по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 20072012 годы» и фонда РФФИ, проект 10-02-01022-а.

Литература

1. Голубовский Ю.Б., Кудрявцев А.А., Некучаев В. О., Порохова И.А., Цендин Л.Д. Кинетика электронов в неравновесной газоразрядной плазме: учебное пособие. - СПб.: Изд-во СПбГУ, 2004. - 248 с.

2. Фортов В.Е., Ваулина О.С., Петров О.Ф., Молотков В.И., Чернышев А.В., Липаев А.М., Морфилл Г., Томас Х., Ротермел Х., Храпак С.А., Семенов Ю.П., Иванов А.И., Крикалев С.К., Гидзенко Ю.П. Динамика макрочастиц в пылевой плазме в условиях микрогравитации // ЖЭТФ. - 2003. - Т. 123, № 4. - С. 798-805.

3. Высикайло Ф.И. Кумуляция электрического поля в диссипативных структурах в газоразрядной плазме // ЖЭТФ. - 2004. - Т. 125, № 5. - С. 1071-1081.

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.

5. Ашурбеков Н.А., Иминов К.О., Кобзева В.С., Кобзев О.В. Поляризация состояний атомов гелия в наносекундном разряде с щелевым катодом // ТВТ. - 2010. - Т. 48, № 2. - С. 163.

6. Бобков В.В., Крылов В.И., Монастырский П.И. Вычислительные методы. - М.: Наука, 1976. Т. 1. - 303 с.

7. Демидович Б.П., Марон Н.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. - М.: ГИФМЛ, 1963.

8. Абдурагимов Э.И. Метод сеток решения задачи Дирихле для уравнения Пуассона. - Махачкала: Изд-во ДГУ, 2010. - 27 с.

Поступила в редакцию 11 января 2012 г.