CC BY
14ФИЗИКА
УДК 537.521
Режимы формирования импульсов оптического излучения во встречных высокоскоростных волнах ионизации
НЛ. Лшурбеков, Н. О. Омарова, Г.Ш. Шахсинов, Л.Р. Рамазанов
В последние годы значительное число исследований посвящено неравновесной и нестационарной плазме, получаемой с помощью наносекундных импульсов в длинных разрядных трубках. Такие системы являются эффективными источниками оптического излучения видимого и УФ диапазона. Среди них особое место занимают процессы формирования высокоскоростных волн ионизации (ВВИ) в экранированных длинных трубках. Физические процессы формирования и распространения волн ионизации в них представляются как распространение градиентов потенциала в плазменных волноводах, заполненных газом при средних давлениях. Экспериментальному и теоретическому изучению таких систем посвящено много работ [1 - 3], однако в литературе отсутствуют исследования по взаимодействию ВВИ в цилиндрических волноводах.
Данная работа посвящена комплексным экспериментальным исследованиям релаксационных процессов в плазме, возникающей при распространении как одиночных, так и встречных уединенных ВВИ.
Изучаемый разряд происходил в стеклянной трубке длиной около 50 см, диаметром 1 см, снабженной внутренними электродами, изготовленными из алюминия в виде полых цилиндров, сквозь которые регистрировалось оптическое излучение разряда вдоль трубки. Разрядная трубка помещалась в металлический экран диаметром 2 см.
Блок-схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. В качестве регистрирующего прибора использовался двухканальный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к персональному компьютеру. АЦП позволял производить измерения сигнала с использованием двух независимых каналов с чувствительностью от ЮмВ/деление до 5 В/деление в режиме реального времени длительностью до 10 не и амплитудой до 40 В, с частотой оцифровки для случая повторяющихся сигналов до 5 ГГц. Погрешность измерений по амплитуде составляла не более ±2,5 %, по времени не более ±0,01 %,
9
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: 1 - ГИН; 2 - ГИС для синхронизации Г5-88; 3 - разрядная трубка; 4 - оптические датчики; 5 - емкостные датчики; 6 - высоковольтные электроды; 7 - фокусирующая линза; 8 - поляроид; 9 - монохроматор ДФС-452; 10 - ФЭУ; 11 -блок питания ФЭУ; 12 - АЦП АСК-3151; 13 - эксимерный ХеС1 лазер; 14 - лазер на красителе
Схемы электродных узлов и схема движения ВВИ вдоль разрядной трубки приведены на рис. 2.
Для формирования двух встречных волн ионизации был разработан специальный генератор высоковольтных импульсов напряжения (ГИН), собранный по трансформаторной схеме в коаксиальном исполнении, в котором первичная обмотка состояла из 4-х витков, а вторичная - из двух обмоток по 12 витков в каждой. В качестве коммутирующего устройства в этой схеме ГИН использовался тиратрон типа ТГИ-400/15. Такой генератор позволял одновременно вырабатывать два импульса напряжения с регулируемой амплитудой до 40 кВ и длительностью импульсов около 100 не.
«
Рис. 2. Электродные узлы и схема движения ВВИ вдоль разрядной трубки: 1 - разрядная трубка, 2 - металлический экран, 3 - высоковольтные электроды, 4 - оптические датчики, 5 - емкостные датчики, 6 - силовые линии электрического поля, 7 - столб плазмы, 8 - фронт ВВИ
Эти импульсы напряжения одновременно подавались на разные электроды относительно экрана, окружающего трубку. В такой системе могут формироваться две встречные ВВИ, которые будут взаимодействовать друг с другом, а в зависимости от полярности прикладываемых к электродам импульсов напряжения -либо гасить, либо усиливать друг друга в области взаимодействия.
За фронтом ВВИ' распространяется фронт оптического излучения, характеризующийся наличием целого ряда релаксационных процессов. Информацию о
пространственно-временная динамик релаксационных процессов можно получить из исследования излучения спектральных линий плазмы.
В работе выполнены комплексные исследования динамики формирования оптического излучения при распространении ВВИ в различных условиях формирования разряда: в случае формирования разряда встречными волнами одной полярности, встречными волнами разной полярности, а также для случая, когда разряд формируется при распространении одной волны ионизации.
Исследовались электрические параметры ВВИ, скорость их распространения в зависимости от давления газа и амплитуды напряжения, амплитудные значения тока, а также пространственно-временная динамика формирования оптического излучения.
Исследования показали, что по мере движения вдоль трубки ВВИ испытывает частичное затухание. В области давлений газа порядка 12 Topp затухание ВВИ было минимальным, а скорость распространения - максимальной.
В аналогичных условиях проведены комплексные исследования спектра излучения во фронте ВВИ, амплитудные и поляризационные профили интенсивно-стей оптического излучения, а также пространственно-временная динамика формирования оптического излучения.
На рис. 3-4 приведены характерные осциллограммы импульсов излучения и электрических градиентов потенциала, соответствующих ВВИ, измеренных с оптических и емкостных датчиков, установленных вдоль разрядной трубки. Исследования проводились при различных сопротивлениях нагрузки на конце длинной линии, образованной разрядной трубкой и экраном. Проведенные исследования показали, что амплитудные профили импульсов оптического излучения разряда существенно зависят от режима работы генератора импульсов напряжения и его согласования с разрядной системой.
Следует отметить, что длительность фронта ВВИ уменьшалась по мере ее распространения по трубке. Кроме того, взаимодействие прямой и вторичной, отраженной, ВВИ приводило к их частичному гашению. Длительность фронта ВВИ принимала максимальное значение вблизи высоковольтного электрода и минимальное - вблизи заземленного.
Наиболее подробно исследовались четыре спектральных линии гелия Hei с длинами волн X - 396,4 нм, 492,1 нм, 587,6 нм, 388,8 нм при формировании разряда двумя волнами различной полярности. Исследования показали, что излучение на всех указанных спектральных линиях частично поляризовано, причем степень поляризации излучения на всех линиях различна как по величине, так и по знаку. Кроме того, длительность локального импульса излучения значительно меньше, чем интегрального, по всей длине трубки. Экспериментальные исследования показали, что степень поляризации при фиксированных значениях давления газа и амплитуды напряжения в различных стадиях разряда различна. Например, степень линейной поляризации при формировании разряда двумя волнами различной полярности при амплитуде напряжения 28 кВ составляла: на длине волны 429,5 нм величину порядка 15 %, на длине волны 388,8 нм - 10 %, а на длине волны 471,3 нм степень поляризации имела отрицательное значение -10 %.
® 2
£Г 1 - о
-2
— i
........2
'"С " А" " V, гро 400
\J t, HC
t, не
t, НС
5
о
<N
t, HC
cf <ц
4-j
3-2-
Г н ? 0
^
л л -2J
\200
л *
400
t, не
Рис. 3 а. Осциллограммы интенсивности излучения поперек трубки (1) и электрических сигналов ВВИ (2) на разных расстояниях от электродов (1 - 5). Со стороны 1 датчика подается отрицательный импульс, второй электрод заземлен. Амплитуда напряжения 28 кВ, давление газа -20 Topp
Рис. 3 б. Осциллограммы интенсивности излучения поперек трубки (1) и электрических сигналов ВВИ (2) на разных расстояниях от электродов (1 - 5). Со стороны 1 датчика подается отрицательный импульс, второй электрод разомкнут. Амплитуда напряжения 28 В, давление газа - 20 Topp
t, не
Ш-"-.......'6ÖÖ
t, HC
г> X
н о
t, НС
400"........---600
t, HC
5
Рис. 4 а. Осциллограммы интенсивности оптического излучения поперек трубки (1) и сигналов ВВИ с емкостных датчиков (2) при распространении двух встречных ВВИ разной полярности. Амплитуда напряжения 28 кВ, давление газа - 20 Topp
3
5
Рис, 4 б. Осциллограммы интенсивности оптического излучения поперек трубки (1) и сигналов ВВИ с емкостных датчиков (2) при распространении двух встречных ВВИ одинаковой положительной полярности. Амплитуда напряжения 28 кВ, давление газа - 20 Topp
Анализ и систематизация полученных исследований показывает, что:
• длительности импульсов излучения, степень линейной поляризации, интенсивности излучения и форма импульса зависят от полярности электрического поля во внешних волнах ионизации;
• при распространении двух встречных волн ионизации, как правило, импульс излучения имеет два-три максимума;
• релаксация оптического излучения за фронтом ВВИ происходит с двумя сильно различающими характерными временами.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Гранта РФФИ № 05-02-17267-а.
Литература
1. Ашурбеков H.A., Курбанисмашов B.C., Омаров O.A., Омарова НО. Кинетика возбужденных атомов и оптическое излучение при волновом механизме пробоя инертных газов // Теплофизика высоких температур. 2000. Т. 38. № 5. - С. 823 - 839.
2. Ашурбеков H.A., Омаров O.A., Омарова И.О., Погореловская М. Динамика релаксационных процессов за фронтом высокоскоростной волны ионизации // Материалы II Всероссийской конференции по физической электронике. - Махачкала, 2001. -С. 23-29.
3. Ашурбеков H.A., Курбанисмашов B.C., Омаров O.A., Омарова И.О. Поляризация состояний атомов гелия на фронте ВВИ // Известия РАН. Сер. Физическая. 2000. Т. 64. №7.-С. 1411-1417.
