ОСОБЕННОСТИ КОНТРАКЦИИ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА В НЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 537.521

В. С. Курбанисмаилов, О.А. Омаров, Х.М. Абакарова, Али Рафид Аббас Али

Особенности контракции объемного разряда в не атмосферного давления

Дагестанский государственный университет; Vali_60@mail.ru

Экспериментально исследованы электрические и пространственно-временные характеристики объемного разряда и переход разряда из стадии объемного горения в канальную стадию. Показано, что в стадии формирования разряда при плоских электродах с радиусом кривизны R = 30 см возникают катодные пятна полусферической формы. При высоких перенапряжениях (в зависимости от рода газа) над ними образуются плазменные факелы, сложение которых создает объемный столб плазмы разряда высокой проводимости (СДР - сильноточный диффузный режим). Однородность разряда повышается с увеличением плотности катодных пятен и давления газа в промежутке.

Ключевые слова: катодное пятно, стример, пробой, контракция объемного разряда.

Discharge and transition from volume combustion stage to channel stage are investigated empirically. It is shown that the hemispherical cathode spots appear at the stage of the discharge formation at flat electrodes with 30cm radius of curvature (R = 30 cm). At high surges the plasma torches are produced over them, the addition of torches makes a volume plasma pillar of the higt-conductive discharge. The discharge homogeneity increases with the growing density of the cathode spots and gas pressure in the gap.

Keywords: cathode spot, streamer, breakdown, contraction in a volume discharge.

Введение

Объемные электрические разряды в инертных газах широко используются для накачки газовых лазеров. Причем газ Не выступает в качестве буферного газа во многих средах газовых лазеров.

Дальнейшее повышение энергетических характеристик газовых лазеров достигается совершенствованием способов накачки и оптимизацией условий возбуждения. Задача оптимизации накачки состоит в получении необходимых электрических характеристик плазмы разряда при сохранении ее пространственной однородности за время длительности импульса накачки. Неустойчивость разряда вызывает нарушение его однородности и приводит к переходу разряда из стадии объемного горения в канальную стадию (контрагированный разряд). Физические механизмы, ведущие к неустойчивости разряда, являются самыми различными. Задача усложняется тем, что в разных газах и смесях газов имеют место различные физические процессы, вызывающие неустойчивость разряда.

Поэтому практический интерес представляет изучение свойств разряда в чистых газах. С этой целью экспериментально исследованы электрические и пространственно-временные характеристики плазмы объемных и контрагированных разрядов, сам процесс контракции разряда и развитие плазменного факела в Не атмосферного давления в широком диапазоне изменений начальных условий инициирования разряда.

Экспериментальная установка и методы исследования

Экспериментальная установка и методы исследования подробно описаны в работах [1-3]. В экспериментах диагностика разряда включала регистрацию разрядного тока и напряжения на плазменном канале с применением цифровых осциллографов типа Ак-таком и Tektronix, фотографирование интегрального свечения разряда, а также фото-

графирование пространственно-временных картин свечения промежутка с применением фотоэлектронного регистратора (ФЭР-2) при различных начальных условиях инициирования разряда.

Результаты экспериментов и их обсуждение

Переход разряда от объемной стадии к канальной исследовался в промежутке с площадью разряда ^ = 12 см2 и расстояния между электродами d = 1 см, давление газа менялось в пределах 1-5 атм, напряжение пробоя - от статического пробойного до сотни % перенапряжений.

В газе Не при атмосферном давлении при малых внешних полях (£0 < Екр = 6 кВ/см) горит однородный объемный разряд (рис. 1, фото 1-4), а развитие незавершенных ано-донаправленных каналов, привязанных к катодным пятнам с высокой проводимостью (плазменных каналов) начиналось при плотности тока ~ 40 А/см2 (рис. 1, фото 5-6). В межэлектродном пространстве сохранялась хорошая однородность плазмы разряда. Увеличение плотности тока до 60 А/см2 (рис. 1, фото 7-11) ведет к дальнейшему продвижению незавершенных анодонаправленных каналов, появлению анодных пятен, а также незавершенных катодонаправленных каналов.

1 (3 кВ)

к . 1

А

4 (6 кВ) \ 1

7 (9 кВ)

10 (11,5 кВ)

Не, р = 1 атм, d = 1 см 2 (4 кВ)

3 (5 кВ)

11 (12 кВ)

12 (13 кВ)

Рис. 1. Интегральные картины свечения промежутка

Рис. 2. Характерные осциллограммы тока и напряжения на промежутке (а-и0 = 8 кВ, р = 1 атм, d = 1 см; б - U0 = 9 кВ, р = 3 атм, d = 1 см)

Здесь времена: Тф = ^ - ^ - время формирования разряда (время запаздывания при отсутствии предыонизации); тсп1 = t2 - ^ - время коммутации (время формирования) объемного разряда; Тст = ^ - t2 - время однородного горения разряда (длительность объемной фазы); ^ - начало роста приложенного напряжения на промежутке; ^ - начало первого спада импульса напряжения на промежутке; ^ - начало контракции ОР в искровой канал.

При плотности тока более 100 А/см2 (рис. 1, фото 12) происходит слияние анодо- и ка-тодонаправленных каналов. Момент перекрытия разрядного промежутка плазменным каналом (рис. 1, фото 12) проявляется в виде второго резкого спада напряжения в конце импульса, обусловленного ростом проводимости канала (см. рис. 2).

На рис. 3 а, б показаны фотографии интегрального свечения разряда для Не при увеличенном давлении р = 2 атм и р = 3 атм соответственно. При увеличении давления газа в промежутке (уменьшение отношения Е/р) разряд расконтрагируется и горит однородно при полях Е0 < Екр = 7,5 кВ/см-атм. При полях Е0 > Екр наблюдается большая плотность катодных пятен, из которых начинается формирование незавершенных каналов, а столб разряда имеет высокую степень однородности. Для выяснения влияния давления газа на однородность и устойчивость объемного разряда получены картины свечения промежутка при давлении р = 3 атм (рис. 3 б). Закономерности горения разряда сохраняются.

6 кВ

Не, р = 2 атм, й = 1 см 10 кВ

4,5 кВ

Не, р = 3 атм, й = 1 см 5 кВ

15 кВ

9 кВ

11 кВ

13 кВ

EZ3

j

б)

Рис. 3. Пространственные картины свечения промежутка в Не при высоких давлениях:

а) р = 2 атм; б) р = 3 атм

В согласованном режиме накачки реализован удельный энерговклад ~ 0,1 Дж/см3, являющийся максимальным для данного газа в стадии однородного горения. Длительность при сохранении однородности разряда можно было регулировать путем уменьшения плотности тока или увеличением давления газа в промежутке.

Длительность ступени с ростом давления существенно сокращается. При давлении газа в промежутке, равном 5 атм, ступень на импульсе напряжения практически не разрешается. В этом случае длительность объемного разряда определяется временем коммутации разрядного тока, при этом импульс напряжения на разрядном промежутке гладко спадает до дугового значения.

Время существования объемной фазы разряда можно определить, проводя синхронизацию электрических характеристик с пространственными картинами свечения промежутка.

Синхронизация картин свечения разряда с током или напряжением с точностью 2-3 нс осуществлялась подачей импульса тока (или напряжения) на отклоняющие пластины ЭОП (УМИ-92) синхронно с разверткой свечения разряда. При этом учитывался сдвиг по времени между световым и электрическим сигналами.

На рис. 4 представлены фотографии щелевой развертки (в динамическом режиме работы ЭОП-ФЭР2) как совместно с импульсом напряжения (а), так и без него (б, в). Масштаб развертки - 1 мм = 4,3 нс.

В момент времени t3 начинается процесс прорастания искрового канала (начало контракции). Как видно из рис. 4 б, в к моменту времени t3 на катоде зажигается катодное пятно, которое на картинах разворачивается в виде яркой дорожки. Катодное пятно отделено от столба разряда некоторым темным пространством.

Таким образом, картины свечения промежутка, снятые с пространственным (рис. 1, рис. 3) и временным (рис. 4) разрешениями, позволяют, с одной стороны, проследить за пространственно-временной динамикой развития разряда, а с другой - определить длительности характерных стадий импульсного пробоя в гелии атмосферного давления.

С другой стороны, уменьшение длительности горения ОР с ростом давления связано с некомпенсированным ростом ионизационных процессов по отношению к рекомбина-ционным. Увеличение давления газа приводит к увеличению напряжения на столбе разряда.

Это в свою очередь приводит к росту ионизационных процессов как за счет ударной ионизации, что обусловлено сильной зависимостью коэффициента а от Е0, так и за счет ступенчатой ионизации. И бурный некомпенсированный рост концентрации электронов

приводит к росту проводимости и спаду напряжения до дугового значения, после чего разряд переходит в рекомбинационный режим и гаснет.

J-1-

*] h *

Рис. 4. Фотография щелевой развертки в разряде Не с импульсом напряжения при а) и0 = 10 кВ, б) и0 = 6 кВ; в) и0 = 10 кВ (й = 1 см, р = 1 атм, 1 мм = 4,3 нс, катод - снизу)

Для этого рисунка интервалы времени соответствуют: ^ - ^ = Тф - время формирования пробоя;

^ - ^ - время коммутации (время формирования) объемного разряда; tз - ^ - время однородного горения разряда (длительность ОР).

При увеличении перенапряжения в промежутке до 300 % в плазме разряда возникает большое число плазменных каналов, имеющих сравнительно большой диаметр. Временное разграничение объемной и канальной стадий горения разряда хорошо видно на осциллограммах импульсов тока разряда или напряжения на плазменном канале.

3,0

2,4

о 1,8

1,2

0,6

\

Ч \ II

iV ч ч ч

- \

ч.

20 16 12 8

4

1>

I

с

0 2 4 6

а)

8 10 U, кВ

12

Рис. 5. а) Кривые зависимости от приложенного напряжения времени формирования (I) и длительности фазы (II) однородного объемного горения разряда. Пунктиром показано время дрейфа электронов через промежуток

о

6

^ А/см2 б)

Рис. 5. б) Характерная зависимость длительности горения ОР от плотности тока разряда

9 -| 8-

ъ 7~

^ в: 543-

1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 р, атм

Рис. 6. Зависимость напряжения горения ОР от давления: 1 - Е/р = 3 кВ/(см-атм);

2 - Е/р = 3,5 кВ / (см-атм)

Зависимости длительности однородного горения разряда от величины прикладываемого поля и плотности тока соответственно приведены на рис. 5 а, б.

На объемной стадии горения разряда на плазме сохраняется напряжение UT = const, значение которого зависит от давления (см. рис. 6). Причем значение иг соответствует минимальному напряжению пробоя при данном произведении давления газа на длину промежутка (pd) [4].

Зависимость тока разряда от времени имеет характерную форму с двумя максимумами, соответствующими объемной и канальной стадиям горения разряда.

Для получения безыскрового режима горения ОР необходимо, чтобы за время тг обеспечивалось полное рассеивание энергии накопительного элемента (С = 1,5-10-8 Ф)

в плазме [5]. При зажигании ОР в Не это требование достигается при выполнении условия ио = 2 иг (иг ~ 3000 В - напряжение горения ОР при р = 1 атм, й = 1 см). Анализ таких измерений показывает, что естественным механизмом контракции объемного разряда в Не является то, что искровой канал инициируется неустойчивостями, развивающимися в приэлектродных областях [5-7]. Именно они определяют привязку узких диффузных каналов и вызывают сам процесс перехода от ОР к искровому.

Так, на рис. 7 приведены картины распределения интенсивности излучения в промежутке как вдоль поля, так и поперек электродов. Из него явно следует, что процесс контракции определяется приэлектродными явлениями. Здесь х - координата, меняющаяся вдоль поля; у - поперек поля.

Энергия, введенная в газ до образования искрового канала, возрастает при увеличении подводимой в разряд мощности, хотя длительность горения тг экспоненциально уменьшается с ростом прикладываемого поля (см. рис. 5 а), а ОР контрагируется в искровой канал при критических плотностях тока j >^кр « 40 А/см2 и предельных удельных энерговкладах « 0,1-0,2 Дж/см3 [6]. С другой стороны, основная энергия вводится в разряд на квазистационарной стадии. Тогда для плотности энергии можно написать:

а)

ы Юо. !

б)

в)

5.04.03.02.01.00.0

.0

2.0

3.0 4.0

5.0

6.0

7.0

х, мм

Рис. 7. Картины распределения интенсивности излучения (в отн. ед.) в промежутке как вдоль поля, так и поперек электродов (й = 1 см, р = 1 атм) а) t - 105, б) t - 130, в) t - 155, г) t - 210 нс

где тг - длительность объемной стадии разряда, j - плотность тока.

На стадии спада напряжения, когда в промежутке имеется столб квазинейтральной плазмы площадью поперечного сечения ^ с концентрацией электронов пе, сопротивление столба определяется выражением:

1013-1014 см-3. Тогда

где k = /ир = 6,72-105 [см2-Тор/В-с], где /и, Vдр = 6,72-105Е/р = kЕ/р = /иЕ - подвижность и дрейфовая скорость электронов соответственно [5].

В условиях эксперимента ^ = 12 см2; р = 760 Тор; d = 1 см; п при таких данных сопротивление промежутка меняется в пределах R ~ 10-100 Ом [8]. Несмотря на значительный энерговклад в объемную фазу разряда (« 0,1 Дж/см ), ее сопротивление остается постоянным и зависит от величины внешнего поля (см. рис. 8).

140

120

100 % 80

* 60 40 20 0

23456789 10 11

и, кУ

Рис. 8. Зависимость сопротивления ОР от величины прикладываемого напряжения

(ё = 1 см, р = 1 атм)

Заключение

Таким образом, из представленных результатов становится понятной последовательность происходящих событий: возникновение катодных пятен в начальной стадии разряда, развитие незавершенных анодонаправленных каналов, формирование незавершенных катодонаправленных каналов, слияние встречных каналов и рост проводимости в них.

Приведем основные результаты данной работы:

1. В условиях сильной предварительной ионизации рабочей среды разряд в широком диапазоне начальных напряжений имеет объемную форму протекания тока, длительность которой уменьшается с ростом начального напряжения и давления газа в промежутке. При предельных удельных энерговкладах « 0,1 Дж/см3 и критических плотностях тока jкр > 40 А/см2 разряд контрагируется в искровой канал.

2. Выявлены оптимальные условия формирования и устойчивого горения объемного разряда и характер его контракции в искровой канал. Установлено, что при создании предыонизации no « 108 см-3 в диапазоне напряжений 3-12 кВ и pd = 760 Торр-см d = 1 см) объемный разряд в Не представляет собой аномальный тлеющий разряд с вы-

2 2 13 14 3

сокой плотностью тока « 10 А/см и концентрацией электронов « 10 -10 см.

3. Экспериментально показано, что с формированием объемного разряда напряжение горения Ur при различных значениях E/p стремится к такому значению, при котором Ur/pd остается постоянным. При этом ионизационная способность электрона Г = a/Eo максимальна и оптимальны условия для размножения электронов. Обнаружено, что величина отношения Е/р в плазме ОР не зависит от величины начального напряжения на промежутке (при р = 1 атм = ^nst) и составляет « 4 В/(см-Тор). Падение напряжения на плазме ОР в основном определяется давлением газа и увеличивается по мере его роста.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ «Юг России» 12-02-96505 и в рамках Госзадания № 2.3142.2011 МО и Н РФ на 2012-2014 г.

Литература

1. V.S. Kurbanismailov, O.A. Omarov, M.A. Arslanbekov, M.Kh. Gadjiev, G.B. Ragimkha-nov, AliJ. G. Al-Shatravi. Expansion of the Cathode Spot and Generation of Shock Waves in the Plasma of a Volume Discharge in Atmospheric-Pressure Helium // Plasma Physics Reports. - 2012. - Vol. 38, № 1. - P. 22-28.

2. Курбанисмаилов В.С., Омаров О.А., Рагимханов Г.Б., Гаджиев М.Х., Курбанисмаилов М.В. Формирование ударных волн при взрывных процессах на катоде во внешнем магнитном поле // Вестник ДГУ. - 2012. - Вып. 6. - С. 5-16.

3. Курбанисмаилов В.С., Арсланбеков М.А., Аль-Шатрави Али Дж.Г., Гаджиев М.Х., Омаров О.А., Рагимханов Г.Б. Процессы расширения катодного пятна и формирование ударных волн в плазме объемного разряда в гелии атмосферного давления // Физика плазмы. - 2011. - Т. 37, № 12. - С. 1-8.

4. Курбанисмаилов В.С., Омаров О.А. Устойчивость самостоятельного объемного разряда // Вестник ДГУ. - 1997. Вып. 1. - С. 32-36.

5. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя. - М.: Наука, 1991. - 224 с.

6. Курбанисмаилов В.С., Омаров О.А. К вопросу о характере контрагирования объемного разряда в гелии атмосферного давления // ТВТ. - 1995. - Т. 33, № 3. -С. 346-350.

7. Курбанисмаилов В.С. Рагимханов Г.Б., Гаджиев М.Х. Об устойчивости самостоятельного объемного разряда в гелии атмосферного давления // Тезисы докл. VII Всерос. конф. студентов аспирантов и молодых ученых. - СПб.: 2001. - С. 364-365.

8. Курбанисмаилов В.С., Омаров О.А., Ашурбеков Н.А. Самостоятельный объемный разряд в гелии атмосферного давления // Прикладная физика. - 2003. - № 4. -С. 20-29.

Поступила в редакцию 7 сентября 2013 г.