ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 11, с. 1044-1056
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.9
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ТОКА, ИНТЕГРАЛЬНОГО И СПЕКТРАЛЬНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ КОРОНЫ В АЗОТЕ ПРИ ЕЕ ПЕРЕХОДЕ В ИСКРУ
© 2004 г. Ю. С. Акишев, Г. И. Апонин, В. Б. Каральник, А. Е. Монич, Н. И. Трушкин
ГНЦ РФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований"
Поступила в редакцию 18.11.2003 г.
Окончательный вариант получен 25.02.2004 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований перехода отрицательной стационарной короны в искру в геометрии остриё - плоскость. Установлено, что формирование искры в отрицательной короне в азоте и воздухе характеризуется отсутствием стадии с быстрыми первичными стримерами. Показано, что в азоте атмосферного давления переход корона-искра начинается с распространения плазменного канала (вторичного стримера) от острия (катода) к плоскости (аноду), в то время как в воздухе плазменный канал зарождается у плоскости и затем распространяется к острию. Скорость распространения вторичного стримера очень мала V = 103-104 см/с. Описаны два сценария формирования искрового канала в отрицательной короне в азоте, которые основаны на представлении о контракции объемного тлеющего разряда. Представлены результаты динамических спектральных измерений свечения из различных областей разряда в процессе перехода корона-искра.
1. ВВЕДЕНИЕ
1. Под искрой в буквальном смысле понимается яркая кратковременная вспышка света в межэлектродном промежутке, возникающая при шунтировании электродов тонким высокопроводя-щим плазменным шнуром (или каналом). Искра сопровождается также акустическими эффектами - резким звуковым щелчком, хлопком или ударом (интенсивность звука определяется током искры). Во многих газоразрядных устройствах это явление, называемое еще пробоем промежутка, как правило, нежелательное, поскольку оно ограничивает диапазон рабочих параметров устройства или даже приводит к его разрушению.
Пороговые напряжения, при которых возникает искра, сильно зависят от параметров газовой среды (состав и давление газовой среды, температура), а также от геометрических параметров электродной системы (конфигурация электродов и межэлектродное расстояние). В случае несимметричной конфигурации электродов большое значение имеет полярность электрода, имеющего малый радиус кривизны [1-4].
В такой ситуации необходимо сразу сказать, что предметом интереса данной работы является формирование искры в промежутке острие-плоскость с расстоянием между электродами не более нескольких сантиметров, т.е. меньше 10 см. В дальнейшем межэлектродный промежуток сантиметрового диапазона мы будем условно называть коротким - длинными промежутками по нашей терминологии являются такие, длина кото-
рых составляет десятки и более сантиметров. Выбранная нами конфигурация электродов широко используется в различных приложениях, например, для генерации коронного разряда в электрофильтрах или в устройствах для обработки поверхностей [5]. Отмеченное обстоятельство определяет практическую ценность исследований физики пробоя короны в данной геометрии и при указанных межэлектродных расстояниях.
2. Искровой канал в коротком промежутке острие-плоскость не возникает моментально после наложения напряжения, превышающего пороговую величину - этот процесс имеет несколько стадий, каждая из которых характеризуется своей пространственной структурой и своим преобладающим механизмом ионизации газа в формируемых токовых структурах.
В случае неионизованных промежутков с положительным острием процесс пробоя можно разделить на три стадии [2, 6]. На первой стадии, независимо от сорта газа, от острия к противоположному электроду стартуют так называемые первичные стримеры, распространяющиеся с большой скоростью (характерные скорости стримеров от положительного острия V = 108 см/с). Первичные стримеры - это хорошо известные обычные стримеры, т.е. тонкие (характерная толщина около 100 мкм) токовые нити с невысокой проводимостью (см., например, [1, 2, 6]). Из-за невысокой проводимости первичных стримеров перекрытие ими промежутка еще не приво-
дит к резкому уменьшению напряжения между электродами.
Вторая стадия связана с более медленным (V = = 106 см/с) распространением также от острия так называемого вторичного стримера. Вторичный стример порождается у острия энерговыделением первичных стримеров, имеет больший диаметр и большую проводимость по сравнению с первичным стримером [6]. При распространении вторичного стримера первичных стримеров в коротком промежутке уже не наблюдается.
На финальной стадии пробоя возникает ярко светящийся искровой канал, который формируется (или трансформируется) из вторичного стримера после перекрытия последним межэлектродного промежутка. Напряжение на промежутке при этом резко снижается (это и называется пробоем промежутка).
Заметим, что при пробое длинных промежутков с положительным острием последовательность явлений, близкая к описанному выше сценарию, разворачивается в пространстве [7]. В этом случае в один и тот же момент времени в промежутке наблюдаются все три токовые структуры, следующие в пространстве одна за другой: первичные стримеры, снопом выходящие из плазменного канала (аналога вторичного стримера), который на некотором расстоянии трансформируется в так называемый лидер, параметры плазмы в котором, по-видимому, близки к плазменным параметрам искрового канала.
В неионизованных промежутках с отрицательным острием картина пробоя более сложна и менее изучена. В соответствии с фото, приведенном в [3], картину пробоя можно представить следующим образом. Процесс начинается, также как и в предыдущем случае, с распространения быстрых первичных стримеров от острия вплоть до плоского анода. Далее от острия отрастают более медленные вторичные стримеры, которые проходят лишь часть промежутка (примерно одну треть). Затем от плоского электрода (из мест контакта первичных стримеров с анодом) отрастают новые вторичные стримеры навстречу первым. Смыкание вторичных стримеров, движущихся от катода и анода, приводит к формированию искрового канала и завершает процесс пробоя.
Отвлекаясь от многообразия нестационарных пространственных форм, принимаемых разрядом от момента наложения напряжения до возникновения искры, отметим общую закономерность в чередовании преобладающих механизмов ионизации в формирующихся токовых структурах.
1) На первых порах после наложения напряжения на неионизованный промежуток газ еще не прогрет и не возбужден, и его ионизация осуществляется в основном за счет прямого электрон-
ного удара. Такая ситуация соответствует условиям в головной части первичного стримера.
2) Со временем, по мере роста энергии, вложенной в газ, в процесс ионизации вовлекается все большее число возбужденных состояний исходного газа, а также новых частиц, созданных в результате диссоциации молекул исходного газа. В соединении с нагревом газа, уменьшающим плотность нейтральных частиц N и увеличивающим приведенную напряженность электрического поля Е^, возбуждение газа приводит к увеличению частоты ионизации при заданном напряжении. Такая ситуация с неравновесной ионизацией быстрее всего реализуется вблизи острия, из которого истекают первичные стримеры, а также вблизи токовых пятен на плоском электроде.
3) Дальнейший рост возбуждения газа, сопровождаемого его сильным разогревом (Т > 1500 К), приводит к уменьшению степени неравновесности плазмы в токовом канале и к увеличению в ней роли термической ионизации. Эта ситуация соответствует переходу плазмы вторичного стримера в плазму искрового канала.
3. В стационарных коронных разрядах искра возникает случайным и неконтролируемым образом при подходе к пороговому напряжению. Отмеченное обстоятельство сильно затрудняет исследование скоротечного процесса формирования искры. В таком случае эксперименты удобнее проводить с использованием импульса напряжения, накладываемого на промежуток, в котором горит корона. Процесс формирования искры в коротком промежутке на фоне коронного разряда является более сложным по сравнению с описанными выше сценариями, поскольку этот процесс уже нельзя рассматривать отдельно от эволюции короны с ростом напряжения.
Возникновение искры в коронном разряде остается до сих пор малоизученным, хотя и хорошо известным явлением. Одна из важных особенностей пробоя в этом случае состоит в том, что стримеры и искра формируются в условиях, при которых известный критерий стримерного пробоя (Мика или Ретера) [3, 4] не выполняется.
Действительно, коронный разряд возникает при существенно более слабом требовании на коэффициент размножения К электронных лавин в промежутке
й
К = |а( х) йх = 1п— = 4-6, (1)
0
чем это нужно для формирования стримеров по Мику (нужно К = 18-20). В выражении (1) а-иони-зационный коэффициент Таунсенда, экспоненциально зависящий от приведенной напряженности электрического поля Е/^ у - полный коэффициент положительной обратной связи для электрон-
ных лавин за счет эмиссии электронов с поверхности фотонами, ионами и метастабильными частицами, а также за счет фотоионизации газа в объеме.
В отсутствие других процессов ионизации в генерационной зоне короны кроме прямой ионизации газа электронным ударом, коэффициент К не зависит от тока, т.е. К не может быть увеличен лишь за счет роста тока с 4-6 до требуемой величины 18-20. Таким образом, для инициирования искры в коронном разряде (или при медленном увеличении напряжения на промежутке острие-плоскость) должны срабатывать какие-то другие механизмы запуска первичных и вторичных стримеров, выяснение которых и является одной из задач данной работы.
При прочих равных условиях развитие искры на фоне коронного разряда происходит намного медленнее, чем в промежутке с неионизованным газом. Так, в работе [8] при исследовании формирования искры в коротком промежутке с положительной короной в воздухе и азоте было показано, что скорости первичных и вторичного стримеров, стартующих от острия, в несколько десятков раз меньше скоростей соответствующих стримеров в неионизованном промежутке при один
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.