CC BY
12УДК 533.6.011
М.Б. Качалов
Взрывные процессы в разрядах в аргоне
Наиболее перспективным способом возбуждения эксимерных лазеров, работающих с большой частотой повторения и высокой средней мощностью, является возбуждение самостоятельным разрядом с предварительной ионизацией. Как правило, такие лазеры работают при высоком давлении рабочей смеси газов. Во многих лазерных смесях используется аргон либо в качестве рабочего, либо в качестве буферного газа. Формирование разряда в таких смесях в основном определяется особенностями аргона. В этой связи представляет практический интерес исследование формирования разряда в аргоне высокого давления.
В самостоятельных разрядах с предварительной ионизацией переход к сильноточной стадии (к искровому каналу) определяется неустой чивостями в прикатодной области. Развитию искрового канала со стороны катода предшествует взрыв микроострой катодной поверхности либо инициирование эмиссионного центра при пробое диэлектрических включений [1].
При стримерном пробое искровой канал инициируется взрывными процессами в объеме.
Данная работа посвящена исследованию роли взрывных процессов в формировании искрового канала в аргоне атмосферного давления.
Разрядный промежуток образовали алюминиевые электроды: катод полусферической формы (И. = 20 см) диаметром 4 см и сетчатый анод.
Источник ультрафиолетового излучения (свободная искра), расположенный за сетчатым анодом, позволял создавать начальную концентрацию электронов в промежутке По~107см'3.
В методики исследований был заложен подход, основанный на экспериментальном измерении основных параметров разряда и построения теоретической модели на основе такого фактического материала. В соответствии с такими задачами были использованы следующие экспериментальные методы: концентрация заряженных частиц измерялась на слаботочных стадиях по плотности тока, а на сильноточных стадиях - по пггарковскому контуру спектральных линий аргона, температура плазмы - по относительной интенсивности спектральных линий, а оценивалась по проводимости плазмы.
Исследовался разряд в двух режимах: с предварительной ионизацией (по~Ю7см*3) и без предыонизации.
Покадровая съемка разряда с помощью электронно-оптического преобразователя с двухкаскадным усилителем интенсивности (ФЭР-2) позволяла проследить развитие свечения, начиная с концентрации заряженных частиц -1012 см"3.
При пробое предварительно ионизованного аргона (По - 107 см"3) первое регистрируемое свечение появляется у анода и со скоростью - 107 см/с распространяется к катоду. Плотность тока к моменту перекрытия промежутка достигает значения -1 А/см2, что соответствует плотности электронов в столбе разряда — 1013 — 1014 см"3.
*
к* ¿0
40
£О
1
1
У
— 'с
50
100
150
200
Рис. 1. Осциллограмма тока разряда
Осциллограмма тока разряда показана на рис. 1.
Распространению фронта свечения соответствует участок АВ. Участок ВС соответствует объемному горению разряда и формированию катодного пятна На этой стадии разряд приобретает форму конуса с вершиной у анода, свечение по сечению неоднородно - интенсивность на оси разряда заметно выше.
С появлением яркого катодного пятна и привязанного к ней тонкого диффузного канала (точка Д) ток разряда резко возрастает. На начальных стадиях развития катодное пятно имеет полусферическую форму и скорость его расширения составляет 2,5 ■ 106 см/с.
Спектр прикатодной плазмы характеризуется интенсивными линиями материала катода АШ 3961 А, 3944 А, 2801 А, 2816 А с высокими потенциалами возбуждения и интенсивным континуумом в диапазоне 2600 А - 3600 А.
В спектре прикатодной области линии ионов алюминия регистрируются одновременно с началом резкого роста тока и достигают максимального значения через 20 - 30 не (рис. 2).
Непосредственное измерение температуры и плотности в момент образования катодного пятна невозможно, но косвенные оценки можно сделать по этим параметрам на более поздних стадиях.
• С -ACi ^¿t
Рис. 2. Интенсивность спектральных линий материала катода (I - 3961 А, II - 2816 А)
Через 30 не с начала резкого роста тока полуширина линии аргона 4806 А составляет 5 - 6 А, а линии 4228 А ~ 5 А. Эти значения полуширин соответствуют
10 1
плотности электронов -10 см" , через 20 не концентрация уменьшается до значения 21018 см"3.
Температура катодного факела через 30 - 40 не, оцененная по относительной интенсивности спектральных линий аргона, составляет 4-5 эВ. Температура электронов плазмы диффузного канала, привязанного к катодному пятну, ~1 эВ. Через 30 - 40 не катодный факел начинает вытягиваться по внешнему полю и принимает форму эллипса, от катодного пятна вглубь промежутка прорастает искровой канал со скоростью ~107 см/с. При этом скорость прорастания искрового канала определяется плотностью тока в канале.
При больших перенапряжениях (Е/р > 15 В/см-мм рт. ст.) формируются несколько катодных пятен и привязанные к ним диффузные каналы. Плотность тока в отдельном канале оказывается меньше, чем в одиночном канале в случае малых перенапряжений, соответственно меньше и скорость прорастания искровых каналов.
Таким образом, проведенное исследование показало, что искровой канал в разрядах с предварительной ионизацией инициируется катодным пятном. При
Осциллограмма тока разряда показана на рис. 1.
Распространению фронта свечения соответствует участок АВ. Участок ВС соответствует объемному горению разряда и формированию катодного пятна. На этой стадии разряд приобретает форму конуса с вершиной у анода, свечение по сечению неоднородно - интенсивность на оси разряда заметно выше.
С появлением яркого катодного пятна и привязанного к ней тонкого диффузного канала (точка Д) ток разряда резко возрастает. На начальных стадиях развития катодное пятно имеет полусферическую форму и скорость его расширения составляет 2,5-106 см/с.
Спектр прикатодной плазмы характеризуется интенсивными линиями материала катода A1II 3961 Á, 3944 Á, 2801 Á, 2816 Á с высокими потенциалами возбуждения и интенсивным континуумом в диапазоне 2600 Á - 3600 Á.
В спектре прикатодной области линии ионов алюминия регистрируются одновременно с началом резкого роста тока и достигают максимального значения через 20 - 30 не (рис. 2).
Непосредственное измерение температуры и плотности в момент образования катодного пятна невозможно, но косвенные оценки можно сделать по этим параметрам на более поздних стадиях.
¿O ЪО í,«
Рис. 2. Интенсивность спектральных линий материала катода (I - 3961 А, II - 2816 А)
Через 30 не с начала резкого роста тока полуширина линии аргона 4806 А составляет 5 - 6 А, а линии 4228 А ~ 5 А. Эти значения полуширин соответствуют плотности электронов -1019 см"3, через 20 не концентрация уменьшается до значения 2-Ю1* см"3.
Температура катодного факела через 30 - 40 не, оцененная по относительной интенсивности спектральных линий аргона, составляет 4-5 эВ. Температура электронов плазмы диффузного канала, привязанного к катодному пятну, ~1 эВ. Через 30 - 40 не катодный факел начинает вытягиваться по внешнему полю и принимает форму эллипса, от катодного пятна вглубь промежутка прорастает искровой канал со скоростью ~107 см/с. При этом скорость прорастания искрового канала определяется плотностью тока в канале.
При больших перенапряжениях (Е/р > 15 В/см мм рт. ст.) формируются несколько катодных пятен и привязанные к ним диффузные каналы. Плотность тока в отдельном канале оказывается меньше, чем в одиночном канале в случае малых перенапряжений, соответственно меньше и скорость прорастания искровых каналов.
Таким образом, проведенное исследование показало, что искровой канал в разрядах с предварительной ионизацией инициируется катодным пятном. При
этом динамика развития катодного пятна, характер изменения его параметров указывают на взрывной характер образования катодного пятна.
Взрывная модель развития катодного пятна предполагает выделение большой удельной энергии на эмиссионном центре и взрыв микроострия [3].
Полученные экспериментальные результаты относятся к стадии разлета плазмы.
Уменьшение интенсивности ионных спектральных линий материала катода свидетельствует об уменьшении температуры плазмы катодного пятна на стадии расширения.
В предположении адиабатичности разлета можно получить соотношение, связывающее удельную энергию, введенную в начальный момент и скорость разлета К Считая, что радиус плазмы становится намного больше характерного начального размера, из условия сохранения полной энергии следует, что скорость разлета равна [4]:
где - показатель адиабаты. Принимая для удельной энергии, получим значение w ~ 6 107 Дж кг"1, или с учетом плотности алюминия энергия, выделенная на единицу объема 16,2 104 Дж см*3. Такая плотность энергии обеспечит концентрацию плазмы ~1021 см"3.
Согласно современным представлениям [3] эмиссия электронов с микроострия до его взрыва длится 10"9 - 10"8 с. При этом электроны при токе 1 - 10 А имеют энергию > 10 эВ. Лавина таких электронов получила название «эктон». Количество электронов в эктоне 010 — 1011. При таких условиях с микроэмиттера может распространяться электронная ударная волна со скоростью ~ (Е - энергия электронов, т - масса электрона). Такая волна может сформировать в промежутке диффузный канал и анодные пятна. Другой причиной появления электронов большой энергии может быть стохастическое ускорение электронов в плотной плазме катодного пятна после взрыва. Эти предположения объясняют появление одновременно с катодным пятном привязанного к ней диффузного канала и анодных пятен.
Детальное исследование картин развития свечения при стримерном пробое показало, что с анода и катода распространяются навстречу друг другу ионизационные фронты. Скорость этих фронтов составляет ~108 см/с. После замыкания промежутка этими фронтами появляется яркое свечение в середине промежутка и катодные пятна слабой интенсивности. Свечение возникает всегда в расчетной точке перехода лавины в стример (хк). Появление яркого свечения и катодных пятен соответствует начал}' резкого роста тока. Относительно невысокая яркость катодных пятен указывает на малое значение прикатодного падения, что объясняется низкой проводимостью стримерных каналов.
С ростом тока разряда яркое свечение со скоростью (3 - 5) • 106 см/с распространяется к электродам. Закорачивание промежутка этим свечением завершает образование искрового канала диаметром 0"1 см.
Концентрация заряженных частиц на участках, соединяющих яркое свечение с электродами, составляет 1014см"3.
Спектр излучения яркосветящейся области характеризуется интенсивными
ООО
ионными линиями аргона Aril 3729 А , 3545 А , 3588 А с потенциалами возбужде-
ния соответственно 19,96 эВ; 24,62 эВ; 22, 94 эВ и непрерывным излучением в
° 18 3
области 3500 - 3600 А . Концентрация заряженных частиц -10 см , температура электронов, определенная по относительной интенсивности линий аргона, составляет 4 эВ.
Анализ экспериментальных результатов показывает, что в рамках модели, описывающей одиночный стример, не могут быть объяснены следующие факты:
- появление яркого свечения, инициирующего искровой канал на расстоянии, равном хк от катода;
- слабая интенсивность свечения катодных пятен;
- высокая плотность тока в области свечения (103 А/см2),
Действительно, модель трансформации одиночного + _ стримера в искровой канал предполагает нарастание проводимости плазмы по всей длине стримера, соответственно — однородная по длине интенсивность свечения [5].
Высокая плотность тока в области яркого свечения свидетельствует о наличии множества стримеров, соединяющих яркое свечение с электродами. Наличием множества стримеров можно объяснить и слабую интенсивность
катодных пятен (рис. 3).
Быстрое возрастание проводимости в области яркого свечения приводит к перераспределению потенциала в промежутке. В усиленном токе анодного и катодного концов области яркого свечения (оно имеет вид вытянутого эллипсоида вращения) происходит ударная ионизация и прорастает искровой канал.
Газодинамическое давление в плазме светящейся области Pr = пкТ находится в согласии с значением давления определенного по скорости радиального расширения свечения Р = pV2.
Таким образом, при стримерном пробое искровой канал в аргоне инициируется ярким свечением, которое возникает в точке перехода лавины в стример. Имеет место множество стримеров, распространяющихся от критически усиленной лавины к аноду и катоду.
Литература
1. Бычков Ю.И., Королев Ю.Д., Месяц Г.А. и др. Инжекционная газовая электроника. - Новосибирск: Наука, 1982. - 239 с.
2. Грим Г. Спектроскопия плазмы. - М.: Атомиздат, 1969. - 356 с.
3. Месяц Г.А. Эктон - лавина электронов из металла // УФН. 1995. Т. 165. № 6. -С.601 - 626.
4. Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Импульсный электрический разряд в вакууме. - Новосибирск: Наука, 1984. - 256 с.
5. Ретер Г. Электронные лавины и пробой газа: Пер. с нем. / Под ред. Комель-кова B.C. - М.: Мир, 1968. - 390 с.
