ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 429, № 1, с. 35-39
= ФИЗИКА =
УДК 537.5
СУБНАНОСЕКУНДНЫЕ ИМПУЛЬСЫ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ,
ГЕНЕРИРУЕМЫЕ В АТМОСФЕРЕ ИМПУЛЬСАМИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ МИКРОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ
© 2009 г. Л. П. Бабич, Т. В. Лойко
Представлено академиком Р.И. Илькаевым 12.04.2009 г. Поступило 10.06.2009 г.
Разряды, развивающиеся в плотной атмосфере и других газах под действием импульсов высокого напряжения с наносекундными (ти ~ 1—10 нс) и субнаносекундными фронтами (ти < 1 нс), когда реализуются очень высокие, в том числе много-
ит - и,
кратные перенапряжения А = ——— относительно статического пробивного напряжения и, исследуются и применяются в технике начиная с 30-х годов прошлого века. Установлено, что при многократных перенапряжениях (сотни процентов) разряды генерируют импульсы убегающих электронов (УЭ) высоких энергий и рентгеновского излучения (РИ), характеристики которых измерялись в большом числе работ (см. [1—6] и цитированную там литературу). Эффективность генерации УЭ зависит от длительности фронта т и и амплитуды импульса Лт напряжения (т.е. перенапряжения А) на газоразрядном промежутке, межэлектродного расстояния ё, топологии и размеров катода, его материала, индуктивности генератора импульсов напряжения [1—6]. Импульс УЭ генерируется в начальной стадии разрядов, составляя часть импульса тока проводимости на его фронте, обычно субнаносекундной длительности. Обладая высокой ионизующей способностью, УЭ существенным образом влияют на динамику пробоя и разрядов в плотных газах, поскольку, распространяясь от катода к аноду, создают затравочные центры ионизации, из которых развиваются вторичные электронные лавины [1—3]. В частности, вследствие перекрытия лавин развиваются объемные диффузные формы разряда [1—3]. Поэтому адекватная модель развития в плотных газах проводимости под действием импульсов напряжения с наносекундными и субнаносекунд-
Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Саров Нижегородской обл.
ными фронтами, реализующих высокие А, должна включать эффект генерации УЭ.
Разряды в плотных газах, в том числе в атмосфере, развивающиеся под действием микросекундных и более длинных импульсов высокого напряжения длительности и сопровождающиеся генерацией импульсов УЭ высоких энергий, исследованы слабо. В лабораторных разрядах зарегистрированы только импульсы сопутствующего РИ. Так, в работе [7] зарегистрирован импульс РИ микросекундной длительности в стадии формирования искрового канала в воздушном промежутке с межэлектродным расстоянием ё = 15—20 см в геометрии острие (катод)—плоскость под действием импульсов напряжения с длительностью фронта ти« 100 нс, полной длительностью А1и ~ 50 мкс и амплитудой до 280 кВ. В работе [8] РИ зарегистрировано при разрядах в воздушном промежутке с межэлектродным расстоянием ё = 70—120 см в геометрии острие—острие под действием импульсов напряжения с ти « 1.2 мкс и амплитудой до 850 кВ. Излучение рентгеновского и гамма-диапазонов зарегистрировано в грозовых полях, в том числе в разрядах молнии [9—14].
Непосредственно УЭ высоких энергий зарегистрированы только в работе [15] при приложении импульсов напряжения с амплитудой 75 кВ и длительностью 2.5 мкс к газоразрядным промежуткам в атмосфере с ё = 0.5—2 см в геометрии конус (катод)-плоскость. Поскольку УЭ играют фундаментальную роль в развитии пробоя и разрядов в плотных газах, необходимо знать основные характеристики импульсов УЭ: длительность фронта импульса те, полную длительность импульса А1е, число УЭ в импульсе Ые, энергетическое распределение или хотя бы область энергий УЭ, начало генерации УЭ относительно момента приложения импульса напряжения.
В настоящем сообщении, которое является продолжением работы [15], впервые измерены характеристики импульсов УЭ высоких энергий, генерируемых разрядами, развивающимися в ат-
35
3*
мосфере под действием микросекундных импульсов напряжения, реализующих относительно невысокие А. Из сопоставления с характеристиками импульсов УЭ, генерируемых в атмосфере разрядами при высоких А, отмечена возможность универсальности механизма генерации УЭ высоких энергий в плотных газах, в том числе в грозовой атмосфере.
ИМПУЛЬСЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ГАЗОРАЗРЯДНОГО ТОКА
В качестве источника импульсов высокого напряжения использовался разработанный во ВНИИЭФ малогабаритный генератор с импульсным повышающим трансформатором [2]. Высоковольтная емкость генератора С0 ~ 50 пФ образована цилиндрическим корпусом генератора и дополнительным корпусом в виде стакана, в который для генерации наносекундных импульсов помещается разрядник-обостритель фронта импульса напряжения. Индуктивность генератора L0 ~ 80 нГн. В цепи вторичной обмотки трансформатора на C0 генерируется синусоидальный затухающий импульс с длительностью первого полупериода 2.6 мкс и амплитудой до 150 кВ. При пробое разрядника в режиме холостого хода формируется импульс напряжения с субнаносекундным фронтом и амплитудой до 300 кВ.
Калибровка генератора по напряжению в диапазоне 30—110 кВ выполнена с помощью стандартных медных шаровых разрядников диаметром 12.5 см. Для стабилизации пробоя воздушный промежуток между шарами облучался ультрафиолетовой лампой. В этом случае пробой воздуха происходит на первой полуволне в максимуме напряжения. Дополнительно выполнена калибровка с помощью делителя напряжения TEKTRONIX Р60115А, который согласно паспортным данным имеет коэффициент деления 1000, точность 3%, полосу пропускания 75 МГц, максимальное импульсное напряжение 40 кВ. Результаты калибровки обоими методами различаются не более чем на 5%.
В основном исследовались процессы, протекающие в атмосфере под действием импульсов микросекундной длительности. Напряжение измерялось емкостным делителем. Разряды производили в камере с плоским изолятором диаметром 11 см, выполненным из органического стекла. Металлические станки камеры являлись продолжением корпуса генератора. Катодом служил стальной цилиндрический стержень диаметром 12 мм с конической рабочей поверхностью и углом вершины 2a = 60°, анодом — алюминиевая фольга толщиной 6.5 мкм. Межэлектродное расстояние d = 15 мм. Напряжение пробоя отличает-
ся значительной нестабильностью: пробой может начаться во время нарастания импульса напряжения, в окрестности максимума первой полуволны, на второй полуволне. Чтобы стабилизировать пробой и определить минимальное напряжение пробоя ит1п, т.е. по существу статическое напряжение пробоя, разрядный промежуток подвергался УФ-излучению через отверстие в боковой стенке камеры. На рис. 1а приведены синхронно записанные осциллограммы напряжения и(1) и разрядного тока 1(1) при УФ-подсветке, записанные на осциллографе TDS 3052В с полосой пропускания 500 МГц. Ток регистрировался собранным из сопротивлений ТВО-0.125 малоиндуктивным шунтом с сопротивлением 0.14 Ом. Пробой происходит в максимуме импульса напряжения, который является минимальным напряжением пробоя и для данной геометрии промежутка составляет итп ~ 31 кВ. Длительность фронта импульса напряжения ти « 1.5 мкс, амплитуда разрядного тока /т1п ~ 130 А, длительность фронта импульса тока ~ 15 нс.
Без УФ-подсветки на разрядном промежутке реализуется напряжение ит (напряжение пробоя), значительно превышающее ит1п, и пробой всегда инициируется во время нарастания импульса напряжения, причем наблюдается значительный разброс ит. При подаче импульса напряжения с амплитудой холостого хода 110 кВ время задержки пробоя составляет 0.6—0.9 мкс, ит оказывается в диапазоне 44—66 кВ, т.е. реализуются А = 0.4—1.1. Рисунок 1б — синхронно снятые осциллограммы напряжения и(1) и разрядного тока 1(1) при ит = 66 кВ. Амплитуда импульса тока 1т = = 470 А, длительность фронта т1 = 3 нс. С увеличением ит, а следовательно и А, ионизационные процессы интенсифицируются, что приводит к росту 1т и уменьшению т1: с ростом ит в 2.1 раза уменьшается в 5 раз, 1т возрастает в 3.6 раза.
Разряд развивается в виде контрагированной искры, перекрывающей промежуток, независимо от того, используется УФ-облучение или нет.
Для сравнения: в объемном диффузном разряде, развивающемся под действием импульсов напряжения с субнаносекундным фронтом, когда реализуется перенапряжение А ~ 4, амплитуда импульса тока 1т = 1.5 кА, длительность фронта т1 < 0.5 нс.
ИМПУЛЬСЫ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ И РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Как и в работе [15], при подаче на газоразрядный промежуток микросекундных импульсов напряжения без применения УФ-облучения (перенапряженный промежуток) за анодом разрядной
Рис. 1. Осциллограммы импульсов напряжения и (развертка 400 нс на клетку) и газоразрядного тока I (развертка 10 нс на клетку); а — УФ-облучение газоразрядного промежутка, б — без облучения. Амплитуды: напряжения ит = 31 (а) и 66 кВ (б); тока 1т = 130 (а) и 470 А (б).
камеры зарегистрированы УЭ высоких энергий. Чувствительность современной техники позволила измерять УЭ за один импульс. Убегающие электроны регистрировались с помощью коллектора, т.е. алюминиевого диска диаметром 20 мм, который располагался на расстоянии 5 мм параллельно плоскости анода. Сигнал с коллектора по кабелю подавался на вход осциллографа TDS 3052B с сопротивлением R = 50 Ом. Наблюдается значительная нестабильность амплитуды регистрируемого сигнала от тока УЭ, которая оказывается в интервале UR = 0.1—1 В и четко коррели-рована с амплитудой импульса напряжения Um на промежутке: чем выше Um, тем больше UR. Максимальная амплитуда, т.е. UR = 1 В, регистрируется в одном импульсе из десяти.
Типичная осциллограмма импульса тока УЭ представлена на рис. 2а. Здесь амплитуда сигнала на осциллографе UR « 0.6 В. Длительность импульса тока УЭ на полувысоте Ate 05 « 0.8 нс близка к разрешающему времени системы регистрации. Следовательно, собственная длительность импульса относится к субнаносекундному диапазону.
Число зарегистрированных за анодом УЭ Ne
U A t
0.5
107—108 1/имп в зависимости от пере-
R e
напряжения A = 0.4—1.1.
В разрядах без перенапряжения (A = 0), когда используется УФ-облучение промежутка, данной мето
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.