научная статья по теме “ЭФФЕКТ ПАМЯТИ” ПРИ ЗАЖИГАНИИ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В АЗОТЕ В ДЛИННОЙ РАЗРЯДНОЙ ТРУБКЕ Физика

Текст научной статьи на тему «“ЭФФЕКТ ПАМЯТИ” ПРИ ЗАЖИГАНИИ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В АЗОТЕ В ДЛИННОЙ РАЗРЯДНОЙ ТРУБКЕ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 6, с. 548-562

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА

УДК 533.9

"ЭФФЕКТ ПАМЯТИ" ПРИ ЗАЖИГАНИИ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В АЗОТЕ В ДЛИННОЙ РАЗРЯДНОЙ ТРУБКЕ © 2014 г. А. И. Шишпанов, Ю. З. Ионих, А. В. Мещанов, Н. А. Дятко*

Санкт-Петербургский государственный университет, Россия * ГНЦРФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Москва, Россия

e-mail: yionikh@gmail.com Поступила в редакцию 19.11.2013 г.

Исследованы характеристики пробоя и начальной стадии разряда в длинной (межэлектродное расстояние 40 см, диаметр 2.8 см) трубке в азоте при давлении ~1 Торр и токе в разрядном импульсе ~10мА. Пробой осуществлялся импульсами напряжения положительной полярности с линейно-растущим передним фронтом крутизной dU/dt ~ 106—108 В/с. Промежуток между импульсами варьировался в диапазоне т = 0.5 мс—1 с при длительности каждого импульса 10 мс. Цель работы состояла в исследовании "эффекта памяти" разрядного промежутка: влиянии предшествующего импульса на характеристики пробоя в последующем. В экспериментах измерялась величина пробойного напряжения при различных значениях dU/dt и т. Обнаружено, что при т ~ 1 с эффект памяти отсутствует, при этом наблюдается рост напряжения пробоя с увеличением dU/dt. В диапазоне т « « 50—200 мс напряжение пробоя также не зависит от т, но "эффект памяти" имеет место. Он состоит в том, что напряжение пробоя уменьшается с ростом dU/dt, и при dU/dt ~ 107В/с величина напряжения вдвое меньше, чем для случая т ~ 1 с. Для значений т ~ 1—10 мс "эффект памяти" проявляется в том, что пробойное напряжение зависит от т, причем оно может как уменьшаться ("нормальный" эффект), так и увеличиваться ("аномальный" эффект). Пробой разрядного промежутка предваряется прохождением волны ионизации, за исключением диапазона малых значений т в области существования "аномального" эффекта. Сделаны оценки, позволяющие дать качественное объяснение полученным результатам.

DOI: 10.7868/S0367292114060067

ВВЕДЕНИЕ

1. На вольт-амперной характеристике разрядного промежутка [1] область, отвечающая тлеющему разряду, отделена от области непроводящего газа участком с высоким значением напряжения. Поэтому напряжения пробоя обычно больше напряжения на стационарном разряде. Из-за этого может встретиться ситуация, когда напряжение источника питания достаточно велико, чтобы поддерживать горение разряда, но не достаточно для пробоя. Тогда пробой разрядного промежутка и зажигание стационарного разряда может быть произведен с помощью дополнительного кратковременного инициирования (например, с использованием трансформатора Тесла). В случае импульсно-периодического разряда часто бывает достаточно инициировать зажигание разряда только в первом импульсе, а во всех последующих импульсах разрядный промежуток пробивается без дополнительного инициирования. Это означает, что предыдущий разрядный импульс может облегчать условия зажигания разряда в последующем импульсе. Качественно это кажется легко объяснимым, так как после окончания импульса в разрядном промежутке в течение какого-то времени существуют остаточные электроны (и

метастабильные атомы или молекулы, при столкновениях которых электроны появляются), что и облегчает пробой в следующем импульсе.

Далее для обозначения эффекта влияния предшествующего разрядного импульса на характеристики пробоя в последующем импульсе мы будем использовать термин "эффект памяти". Этот термин был введен авторами большой серии работ (см., например, обзорную статью [2] и оригинальные работы [3—14]), в которых изучалось запаздывание развития разрядного импульса относительно момента подачи напряжения на электроды. Особенностью этих работ является использование сравнительно коротких разрядных промежутков (0.1—10 мм) и относительно низких давлений газа (1—10 Торр). В этих условиях реализуется классический таунсендовский (лавинный) механизм пробоя [1, 15, 16]. Полученное при этом время запаздывания пробоя в азоте и инертных газах достигает ~ 10—100 с. Величина есть сумма двух составляющих [16, 17]: статистического времени запаздывания протекающего между временем приложения напряжения и появлением электрона, инициирующего разряд, и времени формирования разряда т, в течение которого завершается пробой. В условиях работ [2—

14] Т; ^ Тц, поэтому фактически определяется среднее время статистического запаздывания. Эффект памяти проявляется в том, что наличие предшествующего разрядного импульса существенно уменьшает время запаздывания во втором импульсе. Так, при расстоянии между импульсами т ~ 0.1—1 с величина та уменьшается до ~100 мкс. С увеличением т эффект становится менее выраженным, но все же остается заметным вплоть до очень больших значений т ~ 102—103 с. Приведенные сверхбольшие значения т и та получены для азота при давлении 2—10 Торр, однако в принципе описанные закономерности наблюдаются во всех исследованных газах: Не [3], N0 [4], Аг [5], Кг [6], Н2 [2], N [7-12], SF6 [13] и воздухе [14]. Отметим, что, по-видимому, впервые этот эффект был обнаружен в работе [18].

2. Как уже было отмечено, в работах [2-14] использовались короткие разрядные промежутки. При этом размер электродов, как правило, превышал длину промежутка, так что пробой происходил в однородном или близком к однородному электрическом поле. Если же разряд зажигается в трубке, в которой расстояние между электродами значительно превышает их размер (по современной терминологии, "длинной" трубке), то электрическое поле до пробоя сконцентрировано у высоковольтного электрода и практически отсутствует в большей части разрядного промежутка. Поэтому в такой трубке лавинный механизм пробоя межэлектродного пространства невозможен. Впервые на это, довольно очевидное, обстоятельство было указано в работе [19] (1938 г.). Вслед за этим в работе [20] было показано, что зажигание разряда начинается с ионизации газа в области высоковольтного электрода, и затем плазменное облако движется к противоположному электроду, заряжая при этом стенку трубки. Это движение сопровождается свечением газа. Описанная картина развития разряда была дополнена и уточнена 20 лет спустя в [21]. Было показано, что процесс начинается с пробоя промежутка между высоковольтным электродом и близлежащим участком стенки. При этом образуется плазменное облако, и электрическое поле оказывается сосредоточенным между его поверхностью и последующими участками стенки. Это, в свою очередь, вызывает появление новой области ионизации, так что граница плазмы и фронт ионизации движутся по направлению к низковольтному электроду. Скорость такого движения, найденная из оптических и электрических измерений, составила в условиях работы [21] порядка 105 см/с. При достижении фронтом ионизации низковольтного электрода плазма заполняет всю трубку, и цепь тока замыкается. Электроны плазмы, оседая на стенке, создают электрическое поле, которое, складываясь с внешним полем, концентрирует

силовые линии внутри плазменного объема [1]. Результирующее поле направлено преимущественно вдоль оси трубки, и в нем формируется тлеющий разряд со своей пространственной структурой.

Отметим, что зажигание разряда в работе [21] осуществлялось не совсем обычным способом, а именно, питающее синусоидальное или двухпо-лупериодное выпрямленное напряжение частотой ~100 Гц подавалось между высоковольтным внутренним и несколькими низковольтными внешними электродами. Тем не менее, механизм пробоя, предложенный в этой работе, получил экспериментальное подтверждение в более поздних исследованиях [22-26], проведенных в обычных разрядных трубках с внутренними электродами, и в настоящее время является общепризнанным. Следует отметить, что интерес к исследованиям пробоя в длинных трубках в значительной степени связан с их использованием в люминесцентных лампах. Поэтому во всех работах [22-26] трубки наполнялись аргоном — либо чистым, либо в смеси с парами ртути и/или инертными газами N0, Кг. Кроме того, использовался накальный катод. Разряд инициировался импульсами положительной или отрицательной полярности с достаточно крутым (~1 мкс) передним фронтом и амплитудой, заведомо превышающей пробойное напряжение. Частота следования импульсов была, как правило, 5 Гц. Балластное сопротивление ограничивало разрядный ток на уровне нескольких сотен миллиампер. В некоторых работах перед основным импульсом или после него на электроды подавались дополнительные импульсы. Назначение этих импульсов было, в одних случаях, уменьшить статистическое запаздывание пробоя основного импульса, а в других, как полагали авторы, нейтрализовать поверхностный заряд, оставшийся после предыдущего импульса. Во всех работах, за исключением [25], разрядная трубка была окружена заземленным металлическим экраном, который должен был исключить неконтролируемое электростатическое воздействие на исследуемые процессы со стороны внешних устройств. Результатом описываемых работ является экспериментальное подтверждение ключевых факторов модели [21]: распространение фронта ионизации, границы плазмы и поверхностного заряда стенки от высоковольтного электрода к низковольтному.

3. В современных работах ([22] и более поздних) движение фронта ионизации в длинных трубках отождествляется с прохождением волны ионизации. Волны ионизации (ВИ) были обнаружены Дж. Дж. Томсоном в 1893 г. как движение фронта свечения газа. В 30-х г. было показано, что источником этого свечения является градиент потенциала, распространяющийся от высоковольтного электрода при подаче на него импульса

напряжения. Изучению свойств В И посвящены многочисленные экспериментальные и расчетные работы (см., например, обзоры [27-29] и монографии [30, 31]). В большинстве этих работ ВИ изучаются как таковые, вне связи с инициированием разряда. Часто изучают ВИ в предварительно ионизованном газе (например, [32, 33]). Считается, что ионизация на фронте ВИ происходит в объеме газа, а диэлектрические стенки трубки, хотя и могут оказывать влияние на распространение волны [28, 33], но не играют ключевой роли. В частности, ВИ может распространяться и в отсутствие стенок [28]. При таком по

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