научная статья по теме ЧАСТИЧНО-КОНТРАГИРОВАННЫЙ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД В СМЕСИ АРГОН–АЗОТ Физика

Текст научной статьи на тему «ЧАСТИЧНО-КОНТРАГИРОВАННЫЙ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД В СМЕСИ АРГОН–АЗОТ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2008, том 34, № 10, с. 938-950

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА

УДК 533.9

ЧАСТИЧНО-КОНТРАГИРОВАННЫЙ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД

В СМЕСИ АРГОН-АЗОТ

© 2008 г. Ю. 3. Ионих, А. В. Мещанов, Ф. Б. Петров, Н. А. Дятко*, А. П. Напартович*

Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока Физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, Россия *ГНЦРФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Московская обл., Россия

Поступила в редакцию 14.03.2008 г.

Экспериментально исследованы характеристики тлеющего разряда в смесях Ar:N2 c небольшим содержанием азота (0.02%, 0.075% и 1%). Основная часть исследований выполнена для давлений больше 10 Тор, когда контракция разряда происходит скачкообразно, и имеет место отчетливо выраженный эффект гистерезиса. Обнаружено, что время перехода разряда из диффузной формы в контрагированную может достигать ~1 c (это верно и для обратного процесса). При этом процесс начинается с появления контракции на одном конце положительного столба, а затем контрагиро-ванный участок удлиняется, пока не захватит весь столб. Обратный переход происходит аналогичным образом. Изменяя параметры электрической цепи во время такого перехода, можно добиться остановки фронта контракции и получить стационарный частично-контрагированный разряд. Показано, что такой форме разряда отвечают точки внутри петли гистерезиса вольтамперной характеристики, измеренной "обычным" способом, то есть без внешнего воздействия на разряд на участках перехода. Проведен также сравнительный анализ характеристик разряда в указанных смесях и в чистом аргоне.

PACS: 52.80.-s, 51.50.+V, 52.20.Fs, 52.20.Hv

1. ВВЕДЕНИЕ

Контракция тлеющего разряда - это образование одного или нескольких токовых шнуров, визуально проявляющееся в локализации свечения в объеме, малом по сравнению с объемом разрядной камеры. При достаточно сильном увеличении давления газа и разрядного тока разряд практически всегда переходит из объемной (диффузной) формы в контрагированную. В некоторых случаях такой переход происходит плавно, т.е. поперечный размер светящейся области плазмы постепенно уменьшается по мере увеличения разрядного тока. Однако значительно чаще имеет место скачкообразный переход от диффузной к контрагированной форме при превышении некоторого критического значения величины разрядного тока 1С. При этом происходит резкое увеличение плотности тока и температуры газа в шнуре, что позволяет рассматривать контрагированный разряд как промежуточную форму между диффузным тлеющим и дуговым разрядами [1]. Будучи серьезным препятствием на пути создания плазмы больших объемов, явление контракции активно исследовалось в последние десятилетия как экспериментально, так и теоретически (см. обзоры [2-4] и монографии [1, 5]).

Контракцию разряда можно рассматривать как результат развития неустойчивости плазмы по отношению к малым поперечным возмущени-

ям электронной концентрации. В зависимости от условий эксперимента (в первую очередь от рода газа) неустойчивость может быть обусловлена различными физическими механизмами [1]: разогревом газа, процессами ступенчатой ионизации, максвеллизацией функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) за счет электрон -электроных (е-е) соударений. В частности, было установлено [5-9], что в разряде в инертных газах (кроме гелия) основным механизмом, приводящим к контракции, является нелинейная зависимость скоростей возбуждения электронных уровней и ступенчатой ионизации от концентрации электронов, обусловленная влиянием е-е соударений на ФРЭЭ. Разогрев газа и связанный с ним рост приведенного электрического поля Е/И (Е -напряженность электрического поля, N - число атомов и молекул в единице объема) усиливает действие этого фактора, однако играет второстепенную роль.

Плазма, неустойчивая по отношению к поперечным возмущениям электронной концентрации, может оказаться неустойчивой и по отношению к продольным возмущениям. Такая неустойчивость имеет место, например, в положительном столбе разряда в инертных газах и является причиной возникновения ионизационных волн (страт), появляющихся одновременно с контрагированием. Экспериментальные и теоретические исследования показали [5, 10-11], что ионизационные вол-

ны в контрагированном разряде представляют собой двумерные волны сжатия, распространяющиеся в виде перетяжек токового шнура, причем колебания сечения токового шнура находятся в противофазе с колебаниями концентрации электронов.

Развитие процесса контрагирования во времени может происходить различным образом. В инертных газах при токах, значительно превышающих критическое значение Ic, контракция наступает практически одновременно по всей длине положительного столба. Если же ток лишь незначительно превышает величину Ic, то сжатие столба возникает вначале у одного из электродов и затем "прорастает" в направлении другого электрода. При этом полная контракция наступает за конечное, хотя и сравнительно короткое (^1 с), время [12, 13].

Переход из контрагированного состояния разряда в диффузное при уменьшении разрядного тока тоже происходит скачкообразно. При этом наблюдается гистерезис: при уменьшении тока переход в диффузное состояние происходит при несколько меньшем токе, чем переход к конт-рагированному при увеличении тока.

Отметим также, что величина критического тока Ic зависит от размеров разрядной камеры (диаметра разрядной трубки), от давления и состава газовой смеси. Например, установлено, что добавление к инертному газу небольшой примеси молекулярного заметно сдвигает границу контрагирования в сторону больших токов [1, 14, 15]. Механизм такого влияния на величину Ic до настоящего времени не исследовался.

Считалось вполне естественным, что стационарный положительный столб разряда в трубке постоянного диаметра должен быть однородным по длине, т.е. иметь по всей длине либо диффузную форму, либо контрагированную (наличие бегущих страт в контрагированном разряде нарушает продольную однородность, но в среднем по времени она сохраняется). В то же время еще в 1966 г. в работе [16] наблюдался стационарный разряд, в котором одна часть положительного столба была контрагирована, а другая оставалась диффузной. Эксперименты проводились в аргоне при давлении 20 Тор. Авторы [16] назвали такой разряд "частично-контрагированным" (partially constricted). Однако они не исследовали специально эту форму разряда и не обсуждали возможных причин ее существования. Следует отметить, что в своей следующей работе [17] авторы применили этот же термин для обозначения такого состояния разряда, когда при токах, меньших критического, поперечный размер области свечения положительного столба становится уже диаметра трубки. Согласно терминологии, используемой в [5], этот эффект называется "оптической кон-

тракцией". Далее термин "частичная контракция" применяется нами в том смысле, в каком он был использован в [16].

В работе [18] частичная контракция была получена в разряде в аргоне с небольшими добавками (~0.1%) азота при медленной прокачке смеси через разряд. В [18] этот эффект устойчиво воспроизводился в разрядных трубках различного диаметра и длины и при охлаждении стенок трубки водой, и без охлаждения. Частичная контракция (ЧК) наблюдалась при различных направлениях прокачки газа по отношению к электрическому полю, а кратковременная остановка потока не приводила к ее исчезновению. Контраги-рованный участок положительного столба мог примыкать как к катоду, так и к аноду трубки. В [18] была убедительно продемонстрирована возможность существования частично-контраги-рованного разряда, но детального исследования его характеристик в этой работе не проводилось. Не исследовалась и природа этого явления.

В наших недавних работах [19-21] явление ЧК наблюдалось в чистом аргоне и в смеси аргона с небольшой примесью азота. При этом оказалось, что если в смеси аргон-азот эффект достаточно надежно получается и воспроизводится в серии экспериментов, то в чистом аргоне его удавалось получить скорее случайно. Причины этого остались невыясненными.

Эффект частичной контракции разряда в трубке постоянного диаметра весьма необычен и изменяет представление о положительном столбе как об области разряда с продольно однородными характеристиками. Целью настоящей работы было провести исследование характеристик частично контрагированного разряда в смесях Аг:К2 для выяснения механизмов и условий его возникновения.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

Разряд зажигался в цилиндрической разрядной трубке с внутренним диаметром 2.8 см, сделанной из молибденового стекла. Цилиндрические тан-таловые электроды располагались внутри концевых шаров на расстоянии 75 см друг от друга. Шары соединялись с трубкой через промежуточные вставки диаметром 4.5 см. У одного из концов трубки имелось дополнительное сужение диаметром 2 см и длиной 3 см. Это сужение было сделано для того, чтобы провоцировать начало контракции положительного столба именно у этого конца трубки независимо от полярности электродов. Газовая смесь (аргон с азотом, содержание посторонних примесей <10-3%) поступала в разрядную трубку из стального баллона через стеклянные ловушки и медный капилляр, охлаждаемый жид-

ким азотом. Скорость прокачки газа через трубку составляла ~100 стандартных см3/мин, что соответствовало времени пребывания газа в разряде ~1 мин. Использовались газовые смеси с содержанием азота с = 0.02, 0.075 и 1%. Давление газа изменялось в диапазоне Р = 1-120 Тор. Для поддержания разряда использовался источник постоянного тока с предельными характеристиками

утах = 10 кВ, I тах = 100 мА. Ток в разряде менялся

от I ~ 1 мА до 100 мА путем изменения напряжения источника питания У, или балластного сопротивления Яь.

Проводились электрические и спектроскопические измерения. Вольтамперная характеристика (ВАХ) разряда измерялась с использованием двухканального цифрового осциллографа или платы АЦП. Для этого при заданном Ёь изменялось напряжение у, и производилось непрерывное измерение разрядного тока и межэлектродного напряжения и. Для изучения динами

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.

Показать целиком