ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2012, том 38, № 5, с. 419-429
ДИАГНОСТИКА ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ
УДК 533.9.07+537.521+537.523+537.525
ИМПУЛЬСНЫЙ СУБМИКРОСЕКУНДНЫЙ МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СКОЛЬЗЯЩИЙ РАЗРЯД ПРОТИВОПОЛОЖНЫХ ПОЛЯРНОСТЕЙ: ЗАПОЛНЕНИЕ РАЗРЯДНОГО ПРОМЕЖУТКА ИСКРОВЫМИ КАНАЛАМИ
© 2012 г. К. К. Трусов
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 18.08.2011 г.
Окончательный вариант получен 17.10.2011 г.
Приведены результаты экспериментальных измерений коэффициента заполнения межэлектродного промежутка искровыми каналами и тока разряда при импульсном скользящем разряде противоположных полярностей в N0, Аг и Хе на поверхности алюмооксидной керамики. Измерения выполнены на ранее созданной установке в режиме однократных импульсов субмикросекундной длительности, в диапазоне питающего напряжения 0—12 кВ, с двумя разрядными камерами, отличающимися толщиной керамической пластины (0.4 и 0.17 см) и длиной межэлектродного промежутка (4 и 10.3 см), при давлении газов 30 и 100 кПа. Полученные результаты для разнополярных разрядов сопоставлены друг с другом, выделены общие черты разряда в трех газах. Показано, что заполнение разрядного промежутка искровыми каналами в исследованных газах более эффективно при положительной полярности разряда, за исключением лишь Хе при давлении 100 кПа в межэлектродном промежутке 10.3 см. Квазиоднородный режим разряда в каждом из трех газов достигается легче при меньшем давлении газа. Сопоставление данных о коэффициенте заполнения межэлектродного промежутка и пиковом токе разнополярных разрядов для каждого сорта газа и его давления показало взаимосвязь: чем больше ток разряда при фиксированном напряжении независимо от полярности разряда, тем плотнее межэлектродный промежуток заполнен искровыми каналами.
1. ВВЕДЕНИЕ
Эффективность практического использования сильноточного импульсного скользящего многоканального/квазиоднородного разряда в газах на поверхности диэлектрика в качестве, например, коммутатора тока, источника электронов или излучения, который используется в частности для оптической накачки активных сред лазеров, в значительной мере зависит от степени однородности заполнения всей поверхности диэлектрика в межэлектродном промежутке плазмой разряда (см. [1—9] и цитируемые в них работы). Известно, что в сильноточном режиме завершенного разряда, когда напряжение на разрядном промежутке превышает пороговую величину электрического пробоя газа, структура разряда формируется рядом параллельных искровых каналов. В таком режиме степень однородности заполнения промежутка зависит как от параметров отдельных каналов, так и от их совместного развития и взаимодействия, а практическая задача состоит в том, чтобы оптимизировать режим разряда для достижения максимально плотного заполнения разрядного промежутка искровыми каналами (плазменный лист). Отдельный интерес представляет сильноточный скользящий разряд с длительностью импульса наносекундного диапазона. С одной стороны, такой диапазон позволяет на-
блюдать за инициированием и развитием искровых каналов, пренебрегая участием тепловых процессов в их развитии и расширении. С другой стороны, в случае применения такого разряда в качестве мощного источника излучения для фотовозбуждения различных сред (например, накачки лазеров) можно рассчитывать на низкий уровень термооптических искажений в возбуждаемой среде, так как они просто не успевают развиться до значительного уровня в течение нано-секундного импульса. Одним из конкретных примеров могут служить результаты измерений термооптических искажений в жидкости [10].
Ранее неоднократно сообщались результаты экспериментальных исследований характеристик импульсного завершенного многоканального/квазиоднородного скользящего разряда суб-микросекундной длительности в Не, N0, Аг, Хе и их смесях с С12, Б2, а также в воздухе и азоте [3—9]. Ответив на ряд конкретных вопросов, каждая из работ внесла несомненный вклад в понимание механизмов инициирования и развития разряда, однако анализ и сравнительное сопоставление результатов разных работ друг с другом затруднены отчасти из-за того, что данные получены в разных экспериментальных условиях, значительно отличающихся по целому ряду параметров, таких как, например, длительность разрядного им-
Таблица 1. Основные параметры экспериментальной установки рис. 1
Контур питания Камера № 1 Камера № 2
С = 0.019 мкФ Н = 9 см Н = 9.2 см
Ь0 = 16 нГн 1 = 4 см 1 = 10.3 см
Ц0 = 0-12 кВ h = 0.5 см h = 0.17 см
пульса и его фронта, амплитуда напряжения/тока, материал и размеры диэлектрической пластины, электрический контур питания разряда и его импеданс, методики и диапазоны измерений характеристик каналов и разряда в целом, и т.д. В частности, недостаток данных ощущается в сравнении разрядов противоположных полярностей, которые вследствие различия механизмов развития разнополярных стримерных/искровых каналов могли бы дать дополнительную информацию о разряде. Исходя из этого, представляется целесообразным сравнительное исследование характеристик скользящего разряда противоположных полярностей в условиях одной экспериментальной установки.
В [11] исследовалась плотность заполнения межэлектродного промежутка искровыми каналами и их ширина в скользящем разряде субмик-росекундной (50—200 нс) длительности в Не, Аг и Хе при разных давлениях в широком диапазоне зарядных напряжений. Представленные данные были получены лишь при одной полярности приложенного напряжения и показали, в частности, выраженную связь ширины каналов с подвижностью электронов в этих газах. Поскольку скользящий канал развивается на поверхности диэлектрика в присутствии сильного поперечного (по отношению к продольной оси канала) электрического поля, в отличие от канала в свободном пространстве [12, 13], в [13] предпринята попытка объяснить обнаруженную связь в рамках модели развития канала, широко применяемой к стримеру в свободном пространстве и учитывающей ионизацию газа электронным ударом, дрейф и диффузию электронов. Такое объяснение стимулировало эксперименты с противоположной полярностью разряда в условиях той же установки для получения дополнительной информации, так как механизм развития разнополярных каналов в рамках примененной модели существенно различен и должен проявиться в экспериментах. В [14, 15] приведены и обсуждались результаты сравнительных измерений ширины искровых каналов скользящего разряда противоположных полярностей в Не, Аг и Хе, которые действительно показали зависимость ширины от полярности разряда. Для объяснения результатов измерений была привлечена теория распространения фронта волны ионизации [16] в применении к поперечному расширению каналов на ранней стадии их развития в радиальном (по отношению к продольной
оси канала) электрическом поле. Исходя из полученных результатов, возникает естественный вопрос: если ширина каналов зависит от полярности, то зависит ли структура расположения и плотность искровых каналов в промежутке от полярности разряда?
Настоящая работа продолжает [14, 15] и дополняет их сравнительными экспериментальными данными о заполнении поверхности диэлектрика искровыми каналами при разрядах противоположной полярности в Не, Аг, Хе, полученными на той же экспериментальной установке. Эксперименты выполнены с разрядными камерами двух модификаций, различающимися длиной межэлектродного промежутка (4 и 10.3 см) и толщиной диэлектрической подложки (0.5 и 0.17 см). Полученным зависимостям характеристик разнополярных разрядов сопоставлены результаты численных оценок на основе полуэмпирической модели, предложенной в [9] и апробированной в [11] применительно к разряду отрицательной полярности в Не, Не, Аг и Хе. Результаты работы представляют практический интерес и позволяют уточнить механизм и оптимизировать условия возбуждения и масштабирования мощного квазиоднородного наносекундного разряда с высокой яркостью излучения, применяемого в качестве источника оптической накачки активных сред лазеров [7, 9, 10].
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА, МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
2.1. Установка и методика измерений
Подробно экспериментальная установка и методика измерений представлены ранее в работах [11, 15], здесь мы ограничимся лишь кратким описанием. Электрическая схема установки приведена на рис. 1, а ее основные характеристики — в табл. 1. Работа установки и регистрация характеристик разряда осуществляются в режиме однократных импульсов.
Скользящий разряд в газе возбуждается на поверхности диэлектрической пластины 1 толщиной h между двумя плоскими протяженными электродами 2 шириной Н, расположенными на поверхности этой пластины на расстоянии l друг от друга. Разряд инициируется коммутацией разрядника, в результате чего зарядное напряжение Ц накопительного конденсатора С передается к одному из электродов 2, второй электрод заземлен. Материалом пластины 1 служит алюмоксид-ная керамика (А1203) с диэлектрической проницаемостью б = 9.5 . Характер разряда изменяется в зависимости от величины зарядного напряжения Ц (т. е. от запасаемой энергии СЦ0 /2). Так, по мере увеличения Ц выше порога поверхностного электрического пробоя газа в межэлектродном промежутке, число каналов N возбуждаемых за один разрядный импульс, увеличивается начи-
ная с одного (одноканальный разряд) до десятков и более (многоканальный разряд), до тех пор пока каналы не заполнят всю ширину Н промежутка (квазиоднородный разряд), образуя плазменный лист. Относительно малая величина индуктивности Т0 электрического контура питания обеспечивает быстрое протекание разряда с длительностью переднего фронта импульса напряжения на разрядном промежутке 20—25 нс, энергией разряда 0—0.14 Дж, пиковым током /пик = 0.05—7 кА, длительностью импульсов тока 50—800 нс по полувысоте от пикового значения (зависящими от сорта газа, его давления, зарядного напряжения и геометрии разрядного промежутка) при варьировании и0 в рабочем диапазоне установки (см. табл. 1). В каждом импульсе разряда скоростным осциллографом регистрируются импульсы напряжения (с помощью калиброванного активного делителя напряжения) и полного тока р
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.