CC BY
20
УДК 537.521
РОЛЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ НАНОСЕКУНДНЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РАЗРЯДОВ
© 2009 г. Н.А. Ашурбеков, К.О. Иминов, К.Т. Таибов
Дагестанский государственный университет, Dagestan State University,
367000, Дагестан, г. Махачкала, ул. Гаджиева, 43а, 367000, Dagestan, Makhachkala, Gadjiev St., 43a,
dgu@dgu.ru dgu@dgu.ru
Экспериментально исследованы начальные стадии электрического пробоя газа и изменение диэлектрических свойств материала стенок разрядной камеры при их взаимодействии с электронными потоками при различных температурах. Установлено, что при облучении материала стенок электронным потоком часть электронов захватывается на поверхности диэлектрика, и релаксационные процессы после облучения длятся десятки минут. Показано, что при частотно-периодическом режиме первый кратковременный максимум на импульсе тока разряда связан с переносом заряда, осажденного на диэлектрических стенках трубки.
Ключевые слова: наносекундный разряд, высокоэнергетичные электроны, короткие межэлектродные промежутки.
The initial stages ofgas electric breakdown and the change in dielectric properties of discharge chamber walls material at their interaction with electron stream under various temperatures have been experimentally studied. It was established that under the irradiation of the walls material by electron stream, part of electrons precipitates on the dielectric's surface and the relaxation processes after the irradiation continue tens of minutes. It has been shown that under the frequency — periodic regime the first short-time maximum on the discharge current pulse is connected with the transfer of the discharge precipitated on the dielectric walls of the tube.
Keywords: nanosecond discharge, high-energy electrons, short interelectrode spaces.
Электрические и оптические свойства плазмы, образованной при пробое коротких межэлектродных промежутков, определяются комплексом процессов в газе и на поверхностях электродов [1, 2]. Наличие диэлектрических стенок разрядной камеры, ограничивающих область разряда, может изменить как распределение электрического поля в межэлектродном промежутке, так и существенно повлиять на процесс диффузии быстрых электронов из разряда, что приводит к изменению электрических и оптических характеристик разрядной плазмы [3].
В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований характеристик начальных стадий формирования наносекундного (нс) плазменно-пучкового разряда в гелии при различных материалах стенок и размерах разрядной камеры, а также результаты исследования диэлектрических свойств материала стенок разрядной камеры во время и после облучения их потоками высокоэнергетичных электронов.
Высоковольтный разряд наносекундной длительности происходил в цилиндрических трубках с внутренним диаметром 1 - 2 см. Электроды диаметром 0,8 см, изготовленные из стали или алюминия, имеющие полусферическую форму, были расположены на расстоянии 0,4 см друг от друга. На разрядный промежуток подавались импульсы напряжения с частотой повторения до 50 Гц с регулируемой амплитудой 1 + 6 кВ. временем нарастания по фронту около 80 нс и длительностью на полувысоте до 400 нс. Высоковольтные импульсы напряжения формировались с помощью ГИН, собранного по трансформаторной схеме. В качестве коммутатора в генераторе исполь-
зован керамический тиратрон с водородным наполнением типа ТГИ-1000/25. Параметры импульсов напряжения измерялись с помощью омического делителя напряжения с соответствующей коррекцией по высоким частотам, что обеспечивало полосу пропускания до 109 Гц. Для измерения разрядного тока последовательно разрядному промежутку включался шунт из малоиндуктивного сопротивления типа ТВО величиной Rsh = 1 Ом. Для оценки поперечных емкостных токов на стенки разрядной камеры в анодную цепь также включался омический шунт, идентичный шунту в цепи катода. В качестве регистрирующих приборов использовались двухканальный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к персональному компьютеру и осциллограф типа Tektronix TDS 3032B.
Исследования проводились в гелии в диапазоне изменения давления газа 1 -=- 100 Topp в режиме непрерывного протока рабочего газа через разрядную камеру.
При больших амплитудах напряжения время формирования пробоя было меньше длительности фронта импульса напряжения, поэтому пробой происходил на переднем фронте импульса, не достигнув своего максимального значения. Импульсы тока разряда имели вид кривых с двумя максимумами. На начальных стадиях импульса тока во всех исследованных условиях основному импульсу с двумя максимумами предшествовал кратковременный импульс длительностью в несколько нс (рис. 1). Следует отметить, что амплитуда этого импульса на порядок превосходит амплитуду емкостного тока смещения.
I, A U, В
Рис. 1. Осциллограммы тока разряда (1) и напряжения (2) на электродах при электрическом пробое гелия.
Давление газа - 30 Торр, радиус трубки - 1 см, межэлектродное расстояние - 0,4 см
С началом кратковременного первого максимума тока на импульсе напряжения наблюдается небольшой спад, предшествующий основному спаду напряжения на разрядном промежутке. Как правило, при больших амплитудах импульса напряжения этот спад наблюдался на его переднем фронте, после чего напряжение на промежутке возрастало до пробивного значения. Уменьшение амплитуды прикладываемого напряжения приводило к смещению спада напряжения, соответствующего кратковременному максимуму тока в сторону максимума напряжения, а при дальнейшем уменьшении величины прикладываемого напряжения на спаде импульса напряжения формируется ступенька. Соответственно менялся и временной интервал между кратковременным первым и вторым максимумами импульса тока.
Детальные исследования начальных стадий пробоя газа показали, что амплитуда кратковременного первого максимума тока сильно зависит от диаметра трубки, давления газа, состояния и материала диэлектрических стенок разрядной камеры, а также материала электродов. Замена кварцевой трубки стеклянной такого же диаметра приводило к небольшому увеличению амплитуды этого максимума при прочих равных условиях. Использование в качестве диэлектрических стенок полимерного материала на основе эпоксидных смол приводило к еще большему росту амплитуды этого максимума. Долговременный прогрев и обезгаживание разрядной трубки перед напуском гелия приводило к существенному снижению амплитуды первого максимума, величина этого максимума уменьшалась также при увеличении диаметра трубки. Замена алюминиевых электродов стальными приводила к росту амплитуды всех трех максимумов на осциллограмме импульса тока.
На основе наблюдаемых закономерностей формирования импульса тока можно сделать предположение, что кратковременный первый максимум тока связан с переносом заряда, осажденного на диэлектрических стенках трубки и диэлектрических пленках на поверхности электродов. С целью проверки этого предполо-
жения были дополнительно выполнены исследования изменения диэлектрических свойств материала стенок разрядной трубки во время и после их облучения электронными потоками. Эти исследования проводились в специальной вакуумной камере, снабженной монопольным масс-спектрометром с диапазоном анализируемых масс от 1 до 200 a.e.м. и электронной пушкой с энергией электронов до 10 кэВ. Откачка камеры проводилась до остаточных давлений 10-6 Торр по трехступенчатой схеме с помощью форвакуумного насоса, электроразрядного насоса Н0РД-250 и двух сверхвы-соковакуумных агрегатов СВА-025.
Для исследования диэлектрических свойств материала стенок разрядной камеры в процессе их взаимодействия с электронными потоками исследуемые материалы помещались между двумя обкладками плоского конденсатора в качестве диэлектрика. Обкладки конденсаторов изготовлены из медных пластинок, причем одна из обкладок имела множество отверстий диаметром 0,5 см и с расстояниями между центрами отверстий 1 см, через которые диэлектрик облучался потоком быстрых электронов. К обкладкам изготовленного таким образом конденсатора припаяны провода, которые выводятся из камеры через вакуумный электрический разъем и подключаются к цифровому измерителю электрической емкости и - диэлектрических потерь марки Е8-2. Измерительный мост работал на частоте 1 КГц. Установка позволяла проводить измерения при различных температурах диэлектрика в диапазоне от 300 до 450 К. Одновременно контролировалось выделение адсорбированных газов и изменение tg5 диэлектрических потерь материала стенки трубки при его облучении электронными потоками.
Проведенные исследования показали, что при облучении электронным пучком и нагревании диэлектрика (стекла, оптического кварца и полимерного материала) в основном из диэлектрика выделяются три компонента с массовыми числами 18 (Н20), 28 (N2) и 44 (С02). На рис. 2. приведена характерная зависимость измеренная через 5 мин после облучения электронным пучком с энергией электронов около 2 кэВ при токе пучка электронов 10 мА.
Рис. 2. Зависимость диэлектрических потерь полимерного материала от температуры после облучения потоком электронов (1 - первый цикл нагревания; 2 - повторный цикл нагревания)
На этом рисунке кривая 1 соответствует повышению температуры облученного диэлектрика по линейному закону в первом цикле нагрева. После остывания материала при повторных циклах нагревания менялся незначительно (кривая 2). Следует отметить, что после облучения диэлектрика потоком электронов часть электронов захватывается материалом диэлектрика, и релаксационные процессы в диэлектрике длятся более 60 мин, причем характер этих процессов существенно зависел от того, насколько путем нагрева был обезгажен материал перед облучением. На рис. 3 приведена характерная кривая релаксации tg§ во время облучения и после прекращения облучения.
Рис. 3. Кривая релаксации tgS диэлектрических потерь полимерного материала во время облучения (1) и после облучения электронным пучком (2)
Измерения показали, что при облучении образца электронным потоком в первые минуты значение tg5 слегка уменьшается, а после 25 мин наблюдается резкий рост и к 45-й мин tg5 увеличивается почти на порядок. Облучение образца электронным потоком вызывает повышение его температуры от комнатной до 350 К.
Анализ температурной зависимости tg§ (рис. 2) показывает, что часть электронов захватывается материалом диэлектрика. Ловушками электронов могут быть химически активные примеси на поверхности, специфические поверхностные дефекты, вызванные процессами окисления, разорванные цепные связи, адсорбированные молекулы, а также различия в ближнем порядке расположения молекул на поверхности и в объеме [4, 5]. Часто выделяют три типа ловушек: первичные, вторичные и третичные. Первичные ловушки связывают с атомами, входящими в состав макромолекул. На вторичных ловушках электроны захватываются между группами атомов соседних молекул. Что касается третичных уровней захвата заряда, то они связаны с кристаллитами и границами
раздела: кристаллит - аморфная фаза [4, 6]. Термическая активация носителей заряда с указанных ловушек происходит в различных температурных интервалах. По-видимому, наблюдаемые максимумы на температурной зависимости tg8 связаны с разными типами ловушек электронов и соответствуют разным глубинам залегания этих ловушек. Поскольку релаксационные процессы осажденного на диэлектрике заряда (рис. 3) длятся десятки минут, то при частоте повторения импульсов напряжения ~ 50 Гц первый кратковременный максимум на импульсе тока может быть связан с переносом заряда, осажденного на стенках разрядной трубки и диэлектрических пленках на электродах.
Известно, что в области низких частот о tgo диэлектрических потерь материала определяется его проводимостью [7]: а « a>sQstgS.
При воздействии внешнего электрического поля, транспорт заряда в диэлектрике осуществляется с помощью прыжковой проводимости [8]. Оценки, выполненные по этой формуле на основе измеренных значений tg8, дали величину плотности захваченных материалом зарядов порядка 108- 109 см- . Такого же порядка величину дают оценки, выполненные по плотности предпробойного тока, что указывает на перенос осажденного на стенках трубки заряда в начальных стадиях пробоя газа.
Таким образом, приведенные результаты показывают, что при облучении материала стенок электронным потоком часть электронов захватывается материалом диэлектрика, и их последующее высвобождение при частотно-периодическом режиме электрического пробоя газа может вызвать первый кратковременный максимум на импульсе тока.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке фонда РФФИ, проект № 07-02-00506-а.
Литература
1. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов. М., 1991. 224 с.
2. Морозов И.Н., Настоящий А.Ф. Условия вблизи границы плазма - стенка. Кинетика ионов и распределение потенциалов // Физика плазмы. 1996. Т. 22, № 7. С. 659 - 667.
3. Электрические и оптические характеристики наносе-кундного разряда с щелевым катодом, ограниченного диэлектрическими стенками / Н.А. Ашурбеков [и др.] // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34, № 1. С. 17 - 25.
4. Сесслер Г. Электреты. М., 1983. 486 с.
5. Лущейкин Г.А. Полимерные электреты. М., 1984. 184 с.
6. Ficher P. Electrical Condaction in Polyolefin's // Journal of Electrostatics. 1978. Vol. 4. P. 149 - 173.
7. Электрические свойства полимеров: сб. ст. / под ред. Б.И. Сажина. Л., 1986. 224 с.
8. Лившиц И.М. О структуре энергетического спектра и квантовых состояниях неупорядоченных конденсированных систем // УФН. 1964. Т. 83, № 8. С. 617 - 663.
Поступила в редакцию_19 июня 2008 г.
