ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 3, с. 277-282
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.9.07,533.9.082.5,537.525.99
РАЗВИТИЕ РАЗРЯДА В МИКРОКАПИЛЛЯРЕ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ГЕНЕРАТОРОМ ТОКА
© 2004 г. А. В. Назаренко, П. С. Анциферов, Л. А. Дорохии, К. Н. Кошелев
Институт спектроскопии РАН Поступила в редакцию 30.06.2003 г.
Окончательный вариант получен 02.09.2003 г.
Представлены результаты промежуточного этапа работы по созданию генератора тока в цепи с индуктивным накоплением энергии и с полупроводниковым размыкателем на основе 40 диодов СДЛ-800. Создан прототип генератора с шестью диодами, обеспечивающий следующие параметры импульса тока: амплитуда - 4.5 кА, длительность фронта импульса - 10—20 нс на индуктивной нагрузке 30—35 нГн. Данный генератор был использован для исследования разрядов в капиллярах с диаметрами 2 и 0.8 мм при их заполнении аргоном или водородом. Показано, что первоначальная азимутальная асимметрия возникающей при пробое структуры исчезает по мере развития разряда в капилляре с диаметром 2 мм и сохраняется в капилляре с диаметром 0.8 мм. Спектроскопические исследования плазмы с временным разрешением показали наличие в наиболее горячей фазе линий высокоионизованного аргона (Аг VII, Аг VIII), что свидетельствует о температуре 20—40 эВ.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время капиллярным разрядом принято называть сильноточный электрический разряд, инициированный в диэлектрической трубке с большим отношением длина—диаметр. Возросший в последнее время интерес к таким разрядам связан с их применением для получения инверсных сред в ВУФ диапазоне [1, 2], а также для создания с их помощью оптических плазменных волноводов [3, 4]. Характерные параметры разрядов в первом случае составляют: диаметр капилляра 2—5 мм, ток в разряде 20—50 кА, а во втором случае — диаметр 0.1—0.5 мм, ток 200—500 А. Хотя имеется достаточно глубокое понимание процессов, происходящих в данных объектах [5], для расширения понимания их физики представляется интересным экспериментальное исследование области промежуточных значений параметров: диаметр 1—2 мм и ток 1—10 кА. Последние несколько лет в лаборатории спектроскопии плазмы Института спектроскопии РАН ведутся работы по применению индуктивных накопителей в качестве источника тока для капиллярных разрядов [6, 7]. Нами выбрано направление использования полупроводникового размыкателя тока на основе диодов серии СДЛ. В настоящее время ведется разработка установки с использованием 40 диодов, включенных параллельно. Такой драйвер должен обеспечивать импульсы тока на индуктивной нагрузке 30 нГн (характерная индуктивность капилляра) с амплитудой до 30 кА и временем нарастания тока 10—20 нс, что должно быть достаточно для получения стимулированного излучения на 3s—3p переходе неоноподобного
аргона [2]. В настоящий момент создан прототип такой установки с шестью диодами. Он оказался способным обеспечить быстрое воспроизводимое нарастание тока (4—4.5 кА с временем нарастания 10—20 нс на индуктивной нагрузке 30 нГн), что позволило использовать его для исследования указанной промежуточной области параметров капиллярного разряда. Использование диагностического ВУФ-комплекса с регистратором на основе микроканальной пластины (МКП) позволило получать информацию с временным разрешением 10 нс о пространственной и спектральной структуре исследуемых разрядов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
Основной сложностью при работе с индуктивными накопителями является необходимость разрыва токовой цепи при коммутации тока на нагрузку [8]. Необходимость обрывать токи в десятки ки-лоампер за времена единиц-десятков наносекунд заставляет весьма требовательно относиться к выбору размыкателя тока. В нашей работе выбор полупроводникового размыкателя в качестве драйвера тока в цепи с индуктивным накоплением энергии обусловлен высокой стабильностью и воспроизводимостью работы последнего по сравнению с плазменным размыкателем, использовавшимся ранее [9]. В основе работы такого размыкателя лежит экспериментально обнаруженное явление, состоящее в том, что диод, через который пропущен достаточно мощный импульс тока в прямом направлении, восстанавливает свои запирающие свойства не сразу, а способен в
Рис. 1. Принципиальная схема генератора тока для капиллярного разряда. С1 - основной конденсатор, 01,02 - разрядники, В - обратный токопровод, В - диоды, 21, 22 - магнитные зонды.
течение некоторого времени пропускать ток в обратном направлении. Более подробно механизм обрыва токов в диоде описан в [10]. Принципиальная схема использованного формирователя импульсов тока описана в [11] (см. рис. 1). Схема установки приведена на рис. 1. Основная емкость С1 набиралась из керамических конденсаторов К15-10 емкостью 4700 пФ с рабочим напряжением до 50 кВ. В качестве размыкающего элемента использовались шесть диодов СДЛ-0.4-800, включенных параллельно. После срабатывания управляемого разрядника 01 ток 10 начинал течь в прямом направлении через диоды и обратный токопровод В (на рис. 1 путь тока при этом показан в нижней половине размыкателя). Суммарная индуктивность конденсаторов, подвода, разрядников и обратного токопровода обозначена на рис. 1
Рис. 2. Кривые тока в основной цепи ¡0 (внизу) и в капилляре диаметром 2 мм ¡0 (индуктивная нагрузка ~30 нГн, вверху).
буквой Ь, в ней фактически происходило накопление энергии. После смены полярности ток начинал течь в обратном направлении и вблизи максимума второго полупериода происходило запирание диодов. При этом на диодах возникало перенапряжение, пробивающее обостряющий разрядник 02 и ток ¡х перебрасывался в капилляр. Направление тока при этом показано на рис. 1 вверху. Токи в основной цепи и в капилляре измерялись при помощи магнитных зондов 21 и 22. Основным усовершенствованием по сравнению с [11] является увеличение числа параллельно включенных диодов с двух до шести, что позволило увеличить максимальный переброшенный ток с 1.5 до 4.5 кА. При этом длительность фронта импульса тока сохранилась в пределах 10-20 нс. Данный факт свидетельствует о том, что постоянная времени в цепи нагрузка-диод Ь/Я (Ь - индуктивность нагрузки, Я - эффективное сопротивление диода в момент обрыва тока) много меньше характерного времени нарастания сопротивления диода, которое, таким образом, является определяющим фактором для длительности фронта тока. Это позволяет надеяться на дальнейшее сохранение длительности фронта, и, следовательно, увеличение ¿¡/¿г при увеличении числа диодов, включенных параллельно. Характерные кривые тока в цепи нагрузки (капилляре) и в основной цепи приведены на рис. 2.
В процессе эксперимента были отсняты серии обскурограмм и спектров излучения плазмы в капилляре диаметром 2 и длиной 15 мм, заполненном аргоном либо водородом при давлении 500 мТор, а также в капилляре диаметром 0.8 и длиной 15 мм, также заполненном аргоном при том же давлении. Для получения обскурограмм использовалось отверстие диаметром 100 микрон, расположенное на оси капилляра на расстоянии 20 мм от его конца. Расстояние от отверстия
до плоскости регистраци составляло около 150 мм, что обеспечивало увеличение изображения примерно в 7.5 раз. Обскурограммы капилляра диаметром 0.8 мм были отсняты при большем расстоянии от отверстия до плоскости регистрации с увеличением порядка 15 раз. Спектры были получены при помощи спектрографа скользящего падения с углом падения 5° и диаметром круга Роуланда 1 м. Решетка спектрографа имела 600 штрихов на миллиметр. Данный спектрограф обеспечивал регистрацию спектров в диапазоне длин волн X = 3—40 нм с относительным разрешением до 5Х/ X ~ 1/500, определяемым в основном шириной входной щели. Регистрация как обскурограмм, так и спектров излучения осуществлялась на фотопленку при помощи электронно-оптического преобразователя (ЭОП) на основе МКП, обеспечивавшей высокую о чувствительность в области длин волн X < 1000 А. Временное разрешение определялось длительностью отпирающего импульса, подаваемого на МКП, которая составляла в экспериментах 10 нс. Поскольку в спектрах капиллярного разряда обычно доминируют линии кислорода, адсорбированного на стенках капилляра, было решено устроить очистку стенок путем непрерывно поддерживаемого тлеющего разряда с током около 200 мкА. Это позволило избавиться от кислородных линий в спектрах излучения из двухмиллиметрового капилляра, хотя в капилляре диаметром 0.8 мм окончательно избавиться от кислородных линий не удалось. Вероятно, это связано с тем, что отношение площади стенки к объему при уменьшении диаметра капилляра сушественно возрастает, что приводит к усилению влияния пристеночных процессов на разряд (согласно обскурограммам разряда, в данном случае вообще не происходит отрыва плазмы от стенок капилляра, см. ниже). Тем не менее и в данном случае удалось уверенно наблюдать линии аргона в спектрах разряда.
1 мм
0—10 нс
20—30 нс
56—66 нс
92—102 нс
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 3 представлена серия обскурограмм разряда в капилляре диаметром 2 мм, заполненном аргоном при давлении 0.5 Тор. Данные обскурограммы были получены в серии разрядов с различными задержками от начала возникновения тока в капилляре, что иллюстрирует эволюцию разряда. На первом кадре, соответствующем моменту электрического пробоя (задержка 0—10 нс) видно, что свечение капилляра обладает ярко выраженной угловой асимметрией, что может быть связано с неоднородностью пробоя. Яркие точки на обскурограмме могут представлять собой проекции стримеров, развивающихся вдоль стенок капилляра. В дальнейшем происходит отрыв плазмы от стенок капилляра и ее сжатие до диаметра 0.7—0.8 мм (кадры 2 и 3, 20—30 нс и 56—66 нс).
220—230 нс
Рис. 3. Серия обскурограмм, иллюстрирующая развитие разряда в капилляре диаметром 2 мм, заполненном аргоном при давлении 500 мТор.
0-10 нс
4-14 нс
1 мм
20-30 нс
50-60 нс
Рис. 4. Серия обскурограмм, иллюстрирующая развитие разряда в капилляре диаметром 0.8 мм, заполненном аргоном при давлении 500 мТор.
При этом в отличие от случая с капилляром диаметром 0.8 мм исходная асимметрия плазмы пропадает, и в дальнейшем светящаяся область представляет соб
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.