CC BY
8
УДК 537.523.4
О ВОЗМОЖНОМ ПОРОГОВОМ ХАРАКТЕРЕ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ИСКРЫ
Е. В. Паркевич, А. И. Хирьянова
Изучено влияние предельного тока разряда на динамику формирования искровых каналов в воздухе при атмосферном давлении. Показано, что ограничение тока через промежуток до нескольких десятков ампер приводит к резкому падению скорости развития искрового канала с катода. При данных амплитудах тока микроструктура канала не разрешается, а величина максимальной электронной плотности наблюдаемой плазмы составляет ~(1 — 2) ■ 1019 см-3 в масштабе ~100 мкм прикатодной области.
Ключевые слова: сильноионизованная плазма, искровые каналы, микроструктура, электронная плотность плазмы, варьирование тока разряда.
Введение. В работах [1-3] было показано, что искровые каналы, развивающиеся во время импульсного наносекундного разряда в воздушной среде, обладают сложной нитевидной микроструктурой. Будучи несколько сотен микрон в диаметре, одиночные искровые каналы состоят из большого количества микроканалов плазмы с электронной плотностью ~1019 см-3 [3] и выше, вблизи поверхности электродов [4]. Микроканалы обладают диаметрами ~ 10-50 мкм, а времена их формирования могут быть соизмеримы с 1 нс. Механизм формирования микроструктуры искры, однако, всё еще остаётся предметом дискуссии ввиду естественной нехватки экспериментальных данных. В частности, неизвестно, зависит ли процесс формирования микроструктуры искры от мощности удельного энерговклада, вводимого в газоразрядную среду. Последний, как известно, в значительной степени определяется характеристиками используемого высоковольтного генератора, питающего разряд. Одной из таких характеристик является предельный ток генератора. К сожалению, детального исследования влияния предельного тока высоковольтного генератора на процесс формирования микроструктуры искровых каналов до сих пор не проводилось.
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: parkevich@phystech.edu.
В данной работе мы представляем первые результаты в исследовании отмеченного вопроса.
Постановка экспериментов. Исследования проводились на установке [3, 4], состоящей из импульсного высоковольтного генератора (до 30 кВ, фронт «4 нс, длительность 40 нс, максимальный ток ~300 А), синхронизованного с пикосекундным лазером (Nd:YAG, Lotis LS-2151, две длины волны 1064 нм и 532 нм, общая энергия выходного пучка 80 мДж, длительность пучка 70 пс для 532 нм) с точностью не хуже 1 нс. Высоковольтный импульс генератора подавался на исследуемый разрядный промежуток с геометрией типа "остриё-плоскость". Катод был сделан из медной проволочки диаметром 100 мкм. Плоский анод представлял собой торец медного цилиндра диаметром 10 мм, соосного катоду. Зазор между торцом проволочки и плоским анодом составлял «2 мм. Рабочей средой являлся обычный воздух при атмосферном давлении. Разрядный промежуток находился внутри коаксиальной газоразрядной камеры, оснащенной датчиками напряжения и тока разряда. Сигналы электрофизических измерений записывались цифровым осциллографом LeCroy WM8620A (6 ГГц, 20 Гвыб/сек). Часть лазерного излучения зондировала плазму, возникающую (с субнаносекундной точностью [4]) в исследуемом промежутке после момента его электрического пробоя. Плазма зондировалась пятью лазерными пучками, импульсы в которых следовали с задержкой друг относительно друга 1-2 нс, начиная с момента возникновения первичного катодного пятна, вплоть до смыкания противоположных электродов результирующим плазменным каналом. Лазерный пучок, прошедший сквозь плазму, регистрировался высококачественной оптической системой. Для каждого из пучков одновременно записывались интерферограмма, теневое и шлирен изображение плазмы с 10x увеличением при пространственном разрешении 3 мкм. Информация о сдвиге фазы зондирующего излучения извлекалась из интерферограмм при помощи разработанных ранее процедур обработки интерференционных изображений [5, 6]. Извлеченные распределения сдвига фазы далее переводились в распределения электронной плотности плазмы с использованием подхода к численному расчету, развитого в работе [7]. Ошибка восстановления электронной плотности не превышала 10% и определялась в большей степени ошибкой симметризации профилей извлекаемых сдвигов фазы. Последнее было необходимо для решения обратной задачи Абеля.
Ключевым аспектом исследований являлась техника изменения предельного тока, протекающего через разрядный промежуток. Для этого в анодный узел, между анодным электродом и токовым шунтом (схема датчика описана в [3]), вносился балласт-
ный резистор постоянного номинала. Использовались резисторы марки ТВО длиной 30-40 мм, мощностью ~1-3 Вт, сопротивлением 0.3-3 кОм. Каждый резистор был упакован в цилиндрическую вставку из диэлектрика, интегрируемую в область между анодом и токовым шунтом. Варьирование балластных резисторов (их номинала) позволяло ограничивать ток через разрядный промежуток и, тем самым, менять характерный энерговклад в газоразрядную среду, не влияя на прочие ключевые условия эксперимента (например, амплитуду напряжения разряда).
Результаты исследований и их обсуждение. Варьирование предельного тока через разрядный промежуток существенно влияло не только на общую картину эволюции сильноионизованной плазмы с катода, но и на некоторые характеристики плазмы. В данной работе мы остановимся на двух важных режимах работы генератора, в одном из которых достигался результирующий искровой канал со сложной микроструктурой, а в другом формирование микроструктуры прекращалось, и наблюдался лишь небольшой участок однородного канала.
Рис. 1: Осциллограммы напряжения (и) и тока (I) разряда при разряжении высоковольтного генератора: (а) только на исследуемый разрядный промежуток (выстрел № 1), (Ь) на промежуток с балластным сопротивлением 700-800 Ом в анодном узле (выстрел № 2). Точками на кривых тока отмечены .мо.мент,ы зондирования разряда и пробой промежутка.
На рис. 1 представлены осциллограммы напряжения (и) и тока (I) разряда в двух ключевых режимах работы высоковольтного генератора. В первом случае (выстрел № 1, рис. 1(а)) генератор разряжался только на исследуемый промежуток при максимальном токе разряда ~300 А. Во втором случае (выстрел № 2, рис. 1(Ь)) в исследуемый промежуток был внесен балластный резистор с сопротивлением 700-800 Ом, ограничивающий ток до ~40 А. Скорость роста тока разряда в обоих выстрелах одинакова и составляет ~ 100 А/нс. Максимум тока разряда при отсутствии балластного резистора достигает «200 нс за ~2 нс и далее возрастает до ~300 А по мере развития разряда. При
наличии балластного резистора ток разряда достигает величины ~40 А за время, чуть короче 0.5 нс, и далее его величина остается примерно постоянной до окончания приложенного высоковольтного импульса. Измеренное напряжение разряда соответствует удвоенной амплитуде напряжения, прикладываемого на промежуток, из-за отражения импульса.
Shot № I No ballast resistance (/max ~ 300 A)
Shot №2 Ballast resistance (/max ~ 40 A)
Рис. 2: Лазерные фотографии, демонстрирующие появление катодного пятна в выстрелах № 1 (1тах ~ 300 А) и № 2 (1тах ~ 40 А). На изображениях отмечены: А -область резкого изменения морфологии поверхности катода, В - катодное пятно, С -область сдвига фазы зондирующего излучения. Тёмная область - торец катода.
На рис. 2 и 3 представлены интерферограммы, теневые и шлирен изображения, демонстрирующие развитие сильноионизованной плазмы с вершины катода при различных максимальных токах разряда, начиная с появления микронного пятна плазмы на катоде, см. рис. 2, заканчивая формированием результирующего искрового канала в промежутке, см. рис. 3. Величины соответствуют интервалу времени, прошедшему после момента пробоя промежутка до момента зондирования разряда одним из лазерных пучков.
Shot № 1 Shot № 2
No ballast resistance (/max ~ 300 A) Ballast resistance (/max ~ 40 A)
Рис. 3: Лазерные фотографии сильноионизованной плазмы, распространяющейся с вершины катода в выстрелах № 1 (Imax ^ 300 А) и № 2 (Imax ~ 40 А). На изобра^юениях отмечены: A - рефракция излучения на градиентах электронной плотности плазмы, B - область сдвига фазы зондирующего излучения, C - область дробления вершины растущего канала на микроканалы, D - результирующий искровой канал с микроструктурой.
Каждое катодное пятно на рис. 2 представляет собой сферический сгусток плазмы с резкими границами диаметром «25 мкм, окруженный плазмой с менее резкими границами, которая распространяется в сторону анода. Величины электронной плотности пятен, см. рис. 4(а), оказались близкими для обоих рассматриваемых режимов работы генератора. Максимальная электронная плотность в пятнах составляет Пе 4.810 см 3 и ne « 3.2-1019 см-3 в выстрелах № 1 и № 2. Результирующие плазменные формирования на рис. 2 обладают характерным диаметром «40-50 мкм и длиной «70 мкм и «40 мкм. Учитывая, что изображения прикатодной плазмы в обоих выстрелах на рис. 2 получены через At « 1 нс после момента пробоя, характерная скорость расширения плазмы
с катода может быть оценена как «7 • 106 см/сек (при Imax ~ 300 А) и «4 • 106 см/сек (при Imax ~ 40 А).
Рис. 4: Распределения электронной плотности плазмы вдоль плазменных каналов на рис. 2 и 3: (a) выстрел № 1 (Imax ^
300 А), (b) выстрел № 2 (Imax ~ 40 А). Параметр L (мкм) соответствует расстоянию от поверхности катода до точки определения электронной плотности плазмы в центре симметрии искрового канала.
Расширение сильноионизованной плазмы с катода можно рассматривать как фронт сильной ионизации, распространяющийся в сторону анода от области взрывного инициирования первичной прикатодной плазмы [4]. Продвигающийся в пространстве фронт ионизации позади себя оставляет хвост плазмы, электронная плотность которой по направлению к катоду значительно увеличивается (от ~1018 см-3 до «7.5 • 1019 см-3), см. рис. 4(а).
При токе разряда ~300 А фронт ионизации порождает за собой однородный участок искрового канала. Однако этот фронт ионизации оказывается неустойчив и на некотором расстоянии от катода (~300-400 мкм) претерпевает дробление на ряд микроканалов плазмы. Число микроканалов далее значительно увеличивается, создавая сложную микроструктуру у результирующего искрового канала. Характерная скорость роста однородного участка искрового канала до момента дробления его вершины составляет «7 • 106 см/сек, тогда как микроканалы растут в направлении к аноду со скоростью «5.6 • 107 см/сек.
Иная картина развития сильноионизованной плазмы с катода наблюдается при ограничении тока разряда до нескольких десятков ампер. Развивающееся катодное пятно также дает старт развитию фронта ионизации, порождающему за собой участок однородного искрового канала. Однако скорость распространения к аноду такого фронта ионизации резко падает (относительно фронта ионизации, наблюдаемого в выстреле № 1) при At > 1 нс и в среднем не превышает ~106 см/сек.
В результате за интервал времени ~10 нс длина искрового канала (~100 мкм) изменяется медленно, а формирование микроструктуры не наблюдается в принципе. Характерный диаметр канала составляет «50-60 мкм и практически не изменяется в течение ~10 нс. Максимальная электронная плотность вдоль длины плазменного канала, наблюдаемого на рис. 3 при /тах ^ 40 А, составляет np ^^ (1 — 2) • 1019 см 3, и локально может быть ~1018 см-3.
зЗаключение. Величина предельного тока разряда в несколько десятков ампер была выбрана нами не случайно. При токах с такой амплитудой чаще всего проводились исследования генерации сильноионизованной плазмы в искровом разряде с привлечением передовых диагностических систем. Например, в обзорной работе [8] помимо субнаносе-кундной съёмки собственного свечения разряда с пофотонной чувствительностью регистрировалась динамика спектра соответствующего излучения. Электронная плотность плазмы, измеренная по Штарковскому уширению спектральных линий ионов азота N+ или водорода На, не была выше ~1019 см-3. В то же время, в работах [4, 5] было отмечено, что при токах разряда > 100 А электронная плотность плазмы искры может достигать величин, близких к 5.4 • 1019 см-3 (состояние полностью диссоциированного и однократно ионизованного воздуха при нормальных условиях) и даже выше (вблизи поверхности электродов). Другими словами, повышение тока через разрядный промежуток способствует наработке плазмы с большей электронной плотностью. В работе [8] авторы также отмечали, что не наблюдали формирования микроструктуры у искровых каналов. Исходя из имеющихся фактов, можно предположить, что формирование микроструктуры действительно присуще искровым каналам при токах ~ 100 А и более. Наши исследования подтверждают данное утверждение. Вдобавок, при токах в несколько десятков ампер развитие сильноионизованной плазмы с катода оказывается менее интенсивным, а электронная плотность плазмы в среднем близка к 1019 см-3 вблизи катода. Вдоль наблюдаемого плазменного канала электронная плотность локально может составлять ~1018 см-3.
Работа проведена при поддержке гранта Российского научного фонда № 22-29-00799.
ЛИТЕРАТУРА
[1] K. I. Almazova, A. N. Belonogov, V. V. Borovkov, et al., Phys. Plasmas. 27(12), 123507 (2020). DOI: 10.1063/5.0026192.
[2] K. I. Almazova, A. N. Belonogov, V. V. Borovkov, et al., Tech. Phys. Lett. 46(8), 737 (2020). DOI: 10.1134/S1063785020080039.
[3] E. V. Parkevich, M. A. Medvedev, G. V. Ivanenkov, et al., Plasma Sources Sci. Technol. 28(9), 095003 (2019). DOI: 10.1088/1361-6595/ab3768.
[4] E. V. Parkevich, M. A. Medvedev, A. I. Khirianova, et al., Plasma Sources Sci. Technol. 28(12), 125007 (2019). DOI: 10.1088/1361-6595/ab518e.
[5] A. I. Khirianova, E. V. Parkevich, M. A. Medvedev, et al., J. Russ. Laser Res. 42(1), 25 (2021). DOI: 10.1007/s10946-020-09926-1.
[6] A. I. Khirianova, E. V. Parkevich, M. A. Medvedev, et al., J. Russ. Laser Res. 42(2), 161 (2021). DOI: 10.1007/s10946-021-09945-6.
[7] K. Bockasten, JOSA 51(9), 943 (1961). DOI: 10.1364/J0SA.51.000943.
[8] Nicolas Minesi, Thermal spark formation and plasma-assisted combustion by nanosecond repetitive discharges: Ph.D. thesis / Universite Paris-Saclay. 2020. URL: https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-03155208.
Поступила в редакцию 3 августа 2022 г.
После доработки 8 августа 2022 г. Принята к публикации 9 августа 2022 г.
