научная статья по теме О СВЯЗИ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПОЛНЕНИЯ МЕЖЭЛЕКТРОДНОГО ПРОМЕЖУТКА ИСКРОВЫМИ КАНАЛАМИ С ТОКОМ ИМПУЛЬСНОГО МНОГОКАНАЛЬНОГО СКОЛЬЗЯЩЕГО РАЗРЯДА В NE, AR И XE Физика

Текст научной статьи на тему «О СВЯЗИ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПОЛНЕНИЯ МЕЖЭЛЕКТРОДНОГО ПРОМЕЖУТКА ИСКРОВЫМИ КАНАЛАМИ С ТОКОМ ИМПУЛЬСНОГО МНОГОКАНАЛЬНОГО СКОЛЬЗЯЩЕГО РАЗРЯДА В NE, AR И XE»

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМА

УДК 533.9.07+537.521+537.523+537.525

О СВЯЗИ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПОЛНЕНИЯ МЕЖЭЛЕКТРОДНОГО ПРОМЕЖУТКА ИСКРОВЫМИ КАНАЛАМИ С ТОКОМ ИМПУЛЬСНОГО МНОГОКАНАЛЬНОГО СКОЛЬЗЯЩЕГО РАЗРЯДА В Aг И Xe

© 2014 г. К. К. Трусов

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия e-mail.irusov@sci.lebedev.ru Поступила в редакцию 17.10.2013 г.

Окончательный вариант получен 17.02.2014 г.

Приведены экспериментальные результаты и обсуждаются модельные представления о характере взаимосвязи коэффициента заполнения К межэлектродного промежутка искровыми каналами с пиковым током 1пик моноимпульсного завершенного многоканального скользящего разряда суб-микросекундной длительности на поверхности алюмооксидной керамики. Представлена пространственная структура незавершенного разряда на пороге поверхностного искрового пробоя газа. Эксперименты выполнены с тремя газами N0, Аг и Хе при давлении 30 и 100 кПа, при противоположных полярностях разряда, с двумя разрядными камерами, отличающимися геометрией разрядного промежутка и толщиной керамической пластины. Показано, что несмотря на качественные различия в структуре незавершенного разряда на пороге искрового пробоя газов — от диффузной однородной до ярко выраженной филаментированной — зависимость К(6/пик) при завершенном разряде близка к линейной и качественно хорошо объясняется принятой ранее полуэмпирической моделью развития структуры многоканального разряда. В частности, наиболее точно крутизна

зависимости К(6 /пик) моделируется для тех экспериментов, в которых локальная плотность свободных электронов на пороге искрового пробоя газов достигает 1016 см-3 и выше. БО1: 10.7868/80367292114080083

1. ВВЕДЕНИЕ

В отношении импульсного скользящего разряда в газах на поверхности диэлектрика хорошо

известно, что в завершенном режиме его протека-

ния, когда напряжение на межэлектродном про-

межутке превышает пороговую величину поверх-

ностного искрового пробоя газа, пространствен-

ная структура разряда представляет собой набор

искровых каналов, общее количество которых и

степень заполнения ими поверхности диэлектри-

ка существенно зависят от конкретных условий

его зажигания. Практическую значимость пред-

ставляет режим однородного/квазиоднородного

плазменного листа, при котором вся поверхность диэлектрика покрыта газоразрядной плазмой.

Разряд в таком режиме с длительностью импульса

в наносекундном диапазоне наиболее интересен по двум причинам. Во-первых, в этом диапазоне гидродинамическое расширение искровых каналов еще мало и не затушевывает другие, более

быстрые кинетические процессы их формирования и развития, что важно для изучения последних. Во-вторых, разряды в этом диапазоне длительности практически интересны в качестве мощных источников излучения, слабо возмуща-

ющих облучаемую среду термооптическими искажениями благодаря короткому времени воздействия на нее [1], например, для оптической накачки активных сред мощных лазеров с высоким качеством пучка [2]. Оптимизация условий зажигания, а также задача масштабирования разряда в таком режиме, стимулируют моделирование его развития с учетом индивидуальных параметров сорта/давления рабочего газа, разрядной камеры и электрического контура питания. Значительные успехи моделирования были достигнуты в [3-5], но при оценках образование параллельных искровых каналов негласно принималось одновременным. Последнее предположение накладывает достаточно жесткое и не всегда выполнимое условие на многоискровой пробой газа, а также порождает вопрос о критериях синхронности зажигания параллельных каналов. Переходный период изменения количества параллельных каналов и длительность этого периода, а также ограничения на общую численность каналов в промежутке, и, соответственно, изменение мгновенного коэффициента заполнения К(0 разрядного промежутка ими в течение этого периода не рассматривались. Кроме того,

полученные результаты не дают детального ответа на вопрос о том, чем регулируется общая численность искровых каналов в промежутке, хотя по результатам экспериментов в [5—9 и цитируемые в них работы] и позднее неоднократно подчеркивалась качественная связь количества плазменных каналов в промежутке с величиной напряжения U на нем и скоростью нарастания д U / д t, а также импедансом питающего контура. При этом рассматривалось количество каналов, интегральное за один разрядный импульс, которое наиболее уверенно поддается регистрации в экспериментах.

В [10] предложено осуществить моделирование с возможностью неодновременного зажигания каналов в промежутке. Основанием к такому подходу может служить известный факт, когда сопротивление искрового канала быстро уменьшается по мере вклада энергии в него, что затрудняет инициирование соседних с ним каналов. Это может быть преодолено, по аналогии с многоканальными коммутаторами тока [11—15], созданием параллельных искровых каналов в течение короткого промежутка времени, пока сопротивление каждого из каналов еще велико. Контрагирование сильноточного разряда в одиночный искровой канал приводит к деградации и разрушению конструкций, как это известно, из практики применения мощных импульсных газоразрядных ламп.

Для построения полной системы уравнений моделирования в предположении неодновременного развития каналов необходимо знать те условия, которые определяют численность каналов в разрядном импульсе. Опираясь на представленные в [8] экспериментальные данные о моноимпульсном скользящем разряде в He, было замечено [10], что наряду с параметрами Uи д U/дt количество каналов и скорость нарастания их числа во времени могут быть связаны с разрядным током I(t), а точнее его плотностью j(t) на единицу ширины электродов (величины I(t) и j(t) связаны соотношением I(t) = j(t)H, где H — ширина электродов). При этом была предложена эмпирическая зависимость мгновенной плотности n(t) числа параллельных каналов на единицу ширины электрода, образующихся в межэлектродном промежутке в течение разрядного импульса, от величины j(t)

dn(t) = Ш (1)

dt (N)dt'

где коэффициент B не зависит от времени, но связан с сортом/давлением газа, геометрией разрядной камеры, параметрами питающего контура и диэлектрика.

Далее мы будем оперировать как мгновенными величинами n(t), N(t) и K(t), изменяющимися в пределах одного импульса, так и их ин-

тегральными за импульс значениями п, N и К. Поэтому целесообразно уточнить их взаимосвязь. Так, мгновенные величины связаны с интеграль-

ными соотношениями n =

K =

J K (t)dt,

n = Jn(t)dt, N = JN(t)dt,

где интегрирование по времени про-

водится в пределах одного разрядного импульса. Полное число наблюдаемых искровых каналов N в промежутке (как мгновенное, так и интегральное по времени) связано с плотностью п (соответственно мгновенной и интегральной) соотношением N = пН. Максимально возможное количество параллельных каналов в промежутке при условии их плотной упаковки оценивается как = Н/^, где w — ширина одного канала. Наконец, коэффициент заполнения К промежутка (как мгновенный, так и интегральный по времени) равен К = Д/Дмакс. Его величина определяется как числом параллельных каналов, так и шириной каждого из них. Строго говоря, приведенные простые соотношения справедливы, когда все каналы идентичны друг другу по ширине и интенсивности, равномерно распределены по ширине электродов и не ветвятся в промежутке. Реально наблюдаемая структура разряда не столь проста, поэтому величины п(1), N(0 и К^) и их интегральные по времени значения изменяются вдоль разрядного промежутка. Экспериментальные фотографии структуры разряда демонстрируют достаточно равномерное распределение каналов по ширине промежутка, но их количество изменяется вдоль промежутка. Ширина и интенсивность отдельных каналов различаются. Поэтому приведенные соотношения можно применять к усредненным значениям в каждом поперечном сечении разряда. Все до сих пор опубликованные автором экспериментальные данные относятся к сечению посередине межэлектродного промежутка.

С учетом (1) в [10] сформулирована упрощенная система уравнений для моделирования численности каналов N и ее изменения в течение импульса. Результаты модельных оценок в [10] применительно к экспериментальным данным [8] для Не и затем в [16] для Не, Аг и Хе показали удовлетворительное качественное соответствие зависимости N от питающего напряжения и характеристик разрядных контуров, несмотря на упрощенный характер представления процессов. Влияние разрядного тока/протекшего заряда на численность каналов в промежутке подчеркивалось также в [17].

Сначала в экспериментах с одной полярностью разряда в Не, Аг и Хе [16], а затем в [18] на той же установке при противоположных полярностях показана зависимость поперечного размера каналов от полярности, сорта и давления газа в двух разрядных камерах, отличающихся длиной

к ; 2

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 — диэлектрическая пластина, 2 — электроды, 3 — стеклянное окно, 4 — активный делитель напряжения, 5 — петля Роговского, 6 — фотокамера.

межэлектродного промежутка и толщинои диэлектрической пластины. Предложена также интерпретация развития поперечного размера скользящего по поверхности канала, опирающаяся на теоретические представления [19] о роли волнового фронта ионизации газов в формировании свободного стримерного канала вдали от поверхностей. В [20] приведены результаты экспериментальных измерений интегрального за импульс коэффициента К и пикового тока /пик в импульсе разряда в зависимости от питающего напряжения противоположных полярностей, на той же установке и также для трех газов. Целью работы была оценка роли полярности питания в задаче оптимизации условий зажигания многоканального/квазиоднородного разряда и апробирование предшествующих представлений о механизме его инициирования. В целом полученные данные, наряду с ролью полярности, показали удовлетворительное качественное согласие между экспериментальными и оценочными зависимостями К и /пик от Ц - Цпроб, где и0, Цпроб - соответственно напряжение питания разряда и пороговое напряжение поверхностного искрового пробо

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

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»