ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2007, том 45, № 5, с. 667-679
УДК 533.9.07 + 537.521 + 537.523 + 537.525
ФОРМИРОВАНИЕ МНОГОКАНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТНОГО РАЗРЯДА В БЛАГОРОДНЫХ ГАЗАХ
© 2007 г. К. К. Трусов
Физический институт им. ПН. Лебедева РАН, Москва Поступила в редакцию 18.04.2006 г.
Экспериментально исследована пространственная структура высокопроводящих каналов и вольт-секундные характеристики сильноточного импульсного поверхностного разряда в №, Аг и Хе с целью проверки предложенной автором в [1] модели формирования многоканального режима такого разряда. Опыты проведены на установке в двух модификациях, отличающихся контуром электропитания разряда по величине импеданса в 27 раз и энергии разряда в 250 раз. Получены зависимости напряжения на разрядном промежутке от времени, а также числа каналов в промежутке вплоть до режима квазиоднородного заполнения промежутка от зарядного напряжения при давлении газов 30 и 100 кПа. Также приведены результаты модельных расчетов этих параметров. Данные экспериментов сопоставлены с расчетом, и показано их хорошее согласие, что подтверждает обоснованность принятой модели формирования многоканального режима разряда.
PACS: 52.80. ^
ВВЕДЕНИЕ
Электрический разряд в газах на поверхности диэлектриков уже давно исследуется с точки зрения его применения в многоканальных сильноточных коммутаторах тока, в мощных газоразрядных устройствах в качестве плазменных электродов и как мощный источник оптического излучения. В таких разрядах можно выделить два режима горения - пространственно однородный и многоканальный. Первый режим обычно реализуется в том случае, когда напряжение на межэлектродном промежутке меньше напряжения электрического пробоя газа и представляет собой незавершенный, относительно слаботочный разряд. Второй, режим сильноточного многоканального разряда, осуществляется, когда напряжение на промежутке больше напряжения пробоя газа. В этом случае электрический пробой газа в промежутке происходит в виде узких, высоко-проводящих каналов, количество которых увеличивается по мере роста напряжения и и крутизны его фронта ди& на промежутке. В частности, при высоких значениях и, дU/дt плотность каналов оказывается столь высокой, что, сливаясь, каналы образуют квазиоднородный плазменный лист. Применение сильноточного квазиоднородного поперечного разряда в Хе для оптической накачки лазеров было впервые продемонстрировано в [2, 3] на примере лазеров на растворах и парах красителей.
Несмотря на многочисленность экспериментальных исследований поверхностных разрядов, моделирование и математическое описание таких разрядов развито недостаточно и требует прора-
ботки. Так, в [4, 5] стадия однородного разряда анализировалась на основе решения телеграфных уравнений. Однако принятый подход малоприменим в случае канального режима разряда, поскольку он не затрагивает процесс образования и развития высокопроводящих каналов, тем более если каналы возникают в промежутке неодновременно. В [6] приведены результаты экспериментов и расчеты зависимости напряжения и тока от времени для сильноточного квазиоднородного разряда в Xe, которые показали, что начальный период электрического пробоя газа вполне адекватно описывается формулами Теплера и Вай-целя-Ромпе искрового пробоя. Но неодновременность и динамика формирования искровых каналов в этой работе также не рассматривалась, хотя a priori нет оснований считать, что все каналы пробиваются одновременно по всей ширине электродов. В [1] автором предложена упрощенная модель формирования и описания многоканальной стадии разряда, которая допускает неодновременность возникновения искровых каналов в промежутке. Применение этой модели в [1] для описания экспериментов с разрядом в He, выполненных в [5, 7], показало хорошие результаты. Такая модель в принципе позволяет прогнозировать параметры и масштабируемость многоканального поверхностного разряда в зависимости от электрических характеристик питающего контура, разрядной камеры и рабочего газа. Однако апробирования этой модели на экспериментах лишь с He явно недостаточно и необходимо дополнительное экспериментальное подтверждение ее обоснованности.
3
¿0
и
с
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки.
Целью настоящей работы является экспериментальная проверка применимости предложенной в [1] модели для описания многоканального режима разряда в №, Аг и Хе. Для этого в работе представлены результаты экспериментов по регистрации пространственной структуры каналов в разрядном промежутке и вольт-секундных характеристик многоканального поверхностного разряда в указанных газах в зависимости от зарядного напряжения при двух величинах давления 30 и 100 кРа. Эксперименты выполнены на двух модификациях установки, которые отличались друг от друга электрическим контуром питания разрядной камеры - по импедансу в 27 раз и по энергии разряда в 250 раз. Измерены и оценены параметры, необходимые для модельных расчетов. Также приведены результаты расчетов, выполненных в рамках предложенной в [1] модели применительно к условиям экспериментов. Сопоставлением расчетных и экспериментальных данных показано, что обсуждаемая модель достаточно адекватно описывает процесс формирования канального режима поверхностного разряда.
1. ОБСУЖДАЕМАЯ МОДЕЛЬ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ
1.1. Экспериментальная установка. На рис. 1 приведена принципиальная электрическая схема установки для возбуждения поверхностного разряда в газах. Разряд возбуждается вблизи поверхности диэлектрической подложки 1 толщиной к между электродами 2 шириной Б, расположенными на поверхности этой подложки на расстоянии I друг от друга, при подаче импульсного напряже-
Таблица 1. Параметры двух модификаций экспериментальной установки
Модификация 1 Модификация 2 Разрядная камера
С = 0.019 мкФ С = 5 мкФ D = 9 см
Ь0 = 16 нГ Ь0 = 6 нГ 1 = 4 см
тк = 10 нс тк = 12 нс h = 0.5 см
А = 0.3 см
ния от емкостного накопителя энергии С в результате коммутации разрядника. Сверху разрядная область закрыта прозрачной подложкой 3, через которую структура плазмы разряда в плоскости подложки регистрируется фотографически. Толщина разрядной области между 1 и 3 равна А. Разрядная область герметизирована и заполняется исследуемым газом при необходимом давлении. Индуктивность Ь0 представляет собой суммарную индуктивность питающего конденсатора, разрядника и токопроводов (за исключением собственной индуктивности разрядной камеры). Вольт-секундные характеристики разряда фиксируются осцил-лографически на экране скоростного осциллографа С7-15 с помощью резистивного делителя напряжения, подключенного к электродам 2.
Эксперименты выполнялись на установке в двух модификациях, которые отличались лишь характеристиками контура питания разряда. Конкретные параметры обеих модификаций приведены в табл. 1, где тк - постоянная времени коммутации разрядника [8-11]. Материал диэлектрической подложки 1 - алюмоксидная керамика с диэлектрической проницаемостью £ = 9.5. Модификация 1 собрана на базе керамических конденсаторов КВИ-3, а в модификации 2 применен разработанный ранее низкоиндуктивный пленочно-масля-ный конденсатор с параметрами 5 мкФ, 0.2 нГ, 20 кВ [6]. По данным табл. 1, легко убедиться в том, что импедансы контуров питания в модификациях 1 и 2 отличаются в 27 раз, а запасаемая электрическая энергия при одинаковом напряжении и0 - в 250 раз. Коммутатором в обеих модификациях служил трех-электродный разрядник высокого давления. Приведенные в табл. 1 величины Ь0 и тк определены экспериментально по периоду колебаний разрядного тока в режиме короткого замыкания разрядной камеры (Ь0) и по длительности фронта импульса напряжения на межэлектродном промежутке разрядной камеры в отсутствие или при задержанном пробое последнего (тк).
1.2. Основные положения модели и уравнения.
Обсуждаемая модель динамики развития многоканального разряда была предложена и апробирована в [1] применительно к экспериментам [5, 7] с Не. Ее основные пункты можно кратко сформулировать следующим образом.
1. Все каналы искрового пробоя, образующиеся в межэлектродном промежутке, идентичны по форме, расположены на поверхности подложки 1 эквидистантно и представляют собой параллельные цилиндры постоянного радиуса г. Как отмечалось в [1], форма поперечного сечения каналов (круг, полукруг, квадрат) не оказывает принципиального влияния на конечные результаты расчетов.
2. Допускается неодновременное возникновение каналов, т.е. число каналов в течение импульса зависит от времени. Так, если в какой-то мо-
мент времени в промежутке присутствуют N каналов, но при этом напряжение на промежутке превышает ^гпроб, могут формироваться новые каналы. Процесс увеличения числа каналов может продолжаться до тех пор, пока напряжение на промежутке не упадет до Цпроб и ниже или каналы не заполнят всю ширину промежутка. Последний случай - режим квазиоднородного заполнения промежутка плазмой. Полное число каналов в этом случае ограничено величиной = В/2г.
3. Если канал однажды сформировался, он не затухает в течение всего импульса тока, т.е. dN/dt > 0. Следовательно, полное число каналов к концу импульса ^он можно определить как ^он = Щ =
4. С появлением первых каналов весь электрический ток разряда считается сосредоточенным в каналах. Такое допущение оправдано, с одной стороны, тем, что электрическая проводимость газа в искровых каналах, как известно, существенно выше, чем в области диффузного разряда. С другой стороны, в экспериментах по регистрации канальной структуры разряда при всех режимах его возбуждения излучение из участков между каналами (т.е. в зоне диффузного разряда) на фотографиях не фиксировалось. Из этого следует, что плотность тока диффузного разряда много меньше, чем в искровых каналах.
5. Зависимость эквивалентного сопротивления системы параллельных каналов от времени моделируется модифицированной формулой Теп-лера для параллельных искр в виде
^(о =
к.I
+ Дп
(1)
|I(т)dт
ние плазмы в субмикросекундном (<500-600 нс) промежутке времени. Будучи не зависящей от времени, величина Д0 в (1) связана с полным числом к
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.