НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.9+537.2+537.5
О ШИРИНЕ ИСКРОВЫХ КАНАЛОВ ПРОТИВОПОЛОЖНОЙ ПОЛЯРНОСТИ ПРИ СУБМИКРОСЕКУНДНОМ СКОЛЬЗЯЩЕМ РАЗРЯДЕ
В ИНЕРТНЫХ ГАЗАХ
© 2010 г. К. К. Трусов
Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 18.12.2008 г.
Окончательный вариант получен 04.03.2009 г.
Характеристики многоканального сильноточного разряда в N0, Аг и Хе длительностью <200 нс, скользящего по поверхности керамики, исследовались ранее лишь при одной, отрицательной полярности питания. Полученные данные указывают, что в поперечном к оси сечении каналы расширяются преимущественно благодаря дрейфу электронов из поверхностного слоя канала под действием поперечного к оси канала электрического поля с последующей ионизацией газа этими электронами. Для изучения механизма развития каналов в скользящем разряде и, в частности, прояснения роли дрейфа электронов целесообразны эксперименты, подобные уже выполненным, но при обратной полярности питания. Представлены и обсуждаются экспериментальные результаты измерения ширины разнополярных скользящих искровых каналов в N0, Аг и Хе при давлениях 30 и 100 кПа. Полученные данные показали, что усредненная оптическая ширина каналов при положительной полярности в 1.27—1.60 раз меньше, чем при отрицательной, в зависимости от сорта и давления газа. Данные экспериментов анализируются на основе развитой ранее теории распространения разнополярных фронтов волн ионизации в газах. Анализ подтвердил незначительную роль диффузии электронов в расширении каналов и показал, что скорость расширения каналов при обеих полярностях питания превышает скорость дрейфа электронов в окружающем канал поперечном электрическом поле. Соотношение экспериментальных ширин разнополярных каналов и их взаимосвязь с подвижностью электронов объясняются в рамках приближения "нелокализованных начальных условий" указанной теории тем, что расширение каналов обусловлено как дрейфом электронов, так и начальными свободными электронами, создаваемыми короткодействующим источником в узкой области перед фронтом волны расширения. Численными расчетами показано, что глубина указанной области сравнима с глубиной фронта волны и в десятки раз меньше наблюдаемого радиуса канала. В качестве источника начальных электронов можно рассматривать фотоионизацию газа излучением канала.
1. ВВЕДЕНИЕ
В изучении механизмов формирования сильноточного многоканального и квазиоднородного скользящего разряда на поверхности диэлектриков важное значение имеет не только развитие структуры каналов и степень заполнения ими всей поверхности диэлектрика, но и механизм развития каждого из каналов. Решение обеих задач в комплексе поможет пониманию и прогнозированию характеристик технических устройств, а также масштабированию таких разрядов при проектировании устройств на их основе. Одним из примеров таких устройств может служить мощная импульсная система оптической накачки лазеров [1] на основе ламп поперечного разряда, в которых реализован квазиоднородный режим скользящего разряда наносекундного диапазона длительности.
При исследовании механизма формирования многоканального и квазиоднородного скользя-
щего разряда в N0, Аг и Хе с длительностью импульса <200 нс при отрицательной полярности питающего напряжения ранее [2] было показано, что ширина наблюдаемых искровых каналов разряда связана с подвижностью электронов в этих газах. Эта связь выражается в том, что величина параметра
1п 2^+20 + 0.5
1
2 и (1)
оказалась близкой к константе с точностью ~11% для исследованных сортов и давлений газов. Здесь — подвижность электронов, Н — толщина диэлектрической пластины, на поверхности которой возбуждается разряд, и — электрический потенциал канала относительно заземленной шины, расположенной под диэлектрической пластиной, г0 — наблюдаемый (оптический) радиус канала. Связь ширины каналов с подвижностью
2
0
установки.
электронов может обусловливаться диффузией и/или дрейфом свободных электронов из тела канала, которые, создавая сравнительно высокую плотность свободных электронов вблизи канала, способствуют быстрой ионизации газа в этой области и расширению границ канала. Скорость расширения канала в таком приближении определяется суммой скоростей диффузии и дрейфа электронов в радиальном направлении. Согласно сделанным оценкам, в разряде наносекундного диапазона диффузия не может играть решающей роли в скорости расширения канала ввиду сравнительной медленности процесса. Исходя из этого, в [3] рассмотрена задача о взаимосвязи ширины канала с дрейфом электронов и показан смысл параметра (1) в принятом подходе. С точностью до диэлектрической проницаемости материала пластины он представляет собой, с одной стороны, время расширения канала до конечного радиуса г0, если тот расширяется со скоростью, равной скорости дрейфа электронов из тонкого поверхностного слоя канала в окружающие слои под действием поперечного к оси канала электрического поля, а с другой стороны, постоянную времени роста плотности электронов в процессе ионизации газа в этих слоях.
Рассмотренный в [2, 3] механизм расширения канала может проявляться лишь при отрицательном потенциале канала (ОК), так как при обратной полярности потенциала свободные электроны не вытягиваются из канала электрическим полем, а могут только втягиваться в него. Поэтому для более четкого представления о развитии каналов скользящего разряда, а также для проверки сделанных в [2, 3] выводов о роли дрейфа электронов, целесообразны эксперименты, подобные выполненным в [2], но с обратной полярностью каналов, и сравнительный анализ результатов.
Таблица 1. Основные параметры экспериментальной установки рис. 1
С = 0.019 мкФ Н = 9 см
¿0 = 16 нГн 1 = 4 см
и0 = 0-12 кВ h = 0.5 см
В настоящей работе приведены результаты измерений ширины искровых каналов скользящего разряда в №, Лг и Хе при давлениях 30 и 100 кПа, аналогичных [2], но выполненных при обратной, положительной полярности каналов (ПК). Полученные данные были сопоставлены с аналогичными из [2] и показали, что ширина ПК в 1.27— 1.6 раз меньше ширины ОК. Результаты обсуждаются на основе теоретического анализа [4], описывающего скорости распространения волновых фронтов ионизации противоположных полярностей в газах. Показано, что роль диффузии электронов в поперечном расширении искровых каналов несравнимо меньше роли их дрейфа. Однако оценочная скорость расширения ОК и ПК может превышать в 3.4 и 1.4 раз соответственно скорость дрейфа электронов в поперечном электрическом поле, окружающем канал. Умеренная величина отношения ширин разнополярных каналов объяснена тем, что наряду с дрейфом электронов в поперечном электрическом поле важную роль в расширении каналов играют начальные свободные электроны, локализованные в узкой области перед фронтом волны расширения канала. Глубина области локализации таких электронов была оценена на основе экспериментальных данных о ширине каналов обеих полярностей и оказалась сравнима с глубиной фронта волны расширения канала, т.е. на полтора-два порядка меньше радиуса канала.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
2.1. Установка и методика измерений
В настоящей работе описываются эксперименты, выполненные на той же установке, что в работе [2] в модификации 1, но с отличием в том, что полярность питания разряда изменена на противоположную, положительную. На рис. 1 приведена принципиальная схема установки, а ее основные технические характеристики представлены 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 электродами 2 шириной Н, расположенными на поверхности этой пластины на расстоянии l друг от друга. Разряд инициируется коммутацией разрядника, в результате чего зарядное напряжение и0 накопительного конденсатора С передается к одному из электродов 2. Индуктивность Ь0 на рис. 1 обозначает суммарную индуктивность всех элементов разрядного контура кроме индуктивности разрядной камеры, величина которой зависит от ко-
личества искровых каналов N в разрядном промежутке и оценивается аналогично [5] по формуле
= й о I 2п
2(Н + го) . Н
п -
2(Н + го) Н
+
1
2«2
- Го«+ 0.0015
N Н 4« где ц0 — магнитная постоянная. Материалом пластины 1 служила алюмооксидная керамика (А1203) с диэлектрической проницаемостью 6 = 9.5. Характер разряда зависит от величины зарядного напряжения и0 (т.е. от запасаемой энергии Си02/2). Так, по мере увеличения и0 свыше порога электрического пробоя газа ипроб в межэлектродном промежутке число возбуждаемых параллельных искровых каналов увеличивается, начиная с одного (одноканальный разряд) до десятков и более (многоканальный разряд), до тех пор, пока они полностью не заполнят всю ширину Н промежутка (квазиоднородный разряд), образуя плазменный лист.
Относительно малая величина Ь0 обусловила быстрое протекание разряда с длительностью импульсов напряжения/тока разряда 50—200 нс по полувысоте от пикового значения (FWHM), длительностью переднего фронта импульса напряжения на разрядном промежутке 20—25 нс, пиковым током 0.1—7 кА при варьировании величины и0
(т.е. энергии разряда Си02/2) в рабочем диапазоне установки (см. табл. 1). В каждом импульсе разряда скоростным осциллографом С7-15 регистрировались осциллограммы напряжения на межэлектродном промежутке (с помощью активного делителя напряжения) и полного тока разряда (с помощью индуктивной петли Роговского). Фотографировалась также структура искровых каналов разряда в плоскости диэлектрической пластины 1 через стеклянное окно 3 (рис. 1). Разрядный промежуток камеры герметизирован и заполнялся исследуемым газом при заданном давлении. Все измерения, как и в [2], проведены при двух давлениях газов — 30 и 100 кПа.
Поскольку все характеристики разряда зависят от и0, измерения радиуса каналов проводились в узком (по сравнению с возможностями установки) диапазоне измерительных напряже-
гтизм
ний и0 , который для каждого газа указан в табл. 2. Диапазон выбирался так, чтоб
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.