Взаимодействие и устойчивость различных форм импульсного пробоя газов высокого давления
 Скачать 413.04 Kb.
|
|
Личный вклад автора Личный вклад автора в работы, на основе которых написана диссертация, является определяющим. Все результаты экспериментов и расчетов, представленные в диссертации, получены непосредственно автором или при его определяющем личном участии. Анализ всего цикла работ, выводы диссертации и основные положения, выносимые на защиту, также принадлежат автору. Апробация результатов исследования и публикации Материалы, содержащиеся в настоящей диссертационной работе, докладывались на ежегодных научных конференциях Всесоюзных конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Ташкент, 1987, Минск, на XII Республиканской конференции молодых ученых Дагестана (Махачкала, 1988), на IY, Y, YI, Y1I Всесоюзных конференциях по физике газового разряда (Махачкала, 1988, Омск, Казань, Самара, на Международной конференции появлениям в ионизованных газах (Пиза, на II, III, IY Международных конференциях по физике плазмы и плазменным технологиям (Минск, 1997, 2000, 2003), на Всероссийских научных конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1998, 2001, 2004), на региональной конференции по физике межфазных явлений (Нальчик, 1998), на IX, X Всероссийских конференциях по физике газового разряда (Рязань, 1998, 2000), на научной сессии межведомственного совета РАН по комплексным проблемам физики, химии и биологии (Ростов, 1998), на Международной конференции по проблемами вопросам прикладной физики (Саранск, 1999), на I, II, III Всероссийских конференциях по физической электронике (Махачкала, 1999, 2001, 2003), на научной конференции ДНЦ РАН, поев. 275-летию РАН (Махачкала, 1999), на I, II и III Международных конференциях по фазовым переходами нелинейным явлениям в конденсированных средах (Махачкала, 2000, 2002, 2004), на XXX и Всероссийских конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2003, 2004), на VI Международной конференции по импульсным лазерам на переходах атомов и молекул (Томска также на научных семинарах ДГУ, МГУ ИВТ РАН, МЭИ, ИОФ РАН. Основные материалы диссертационной работы отражены в 48 печатных работах, в том числе в 22 статьях. Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения содержит 319 страниц, включая 84 рисунков и 16 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 293 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы основные задачи и цели исследования, а также основные положения, выносимую на защиту, показана научная новизна полученных результатов. Приводится краткое содержание диссертации. В первой главе приводятся экспериментальные и теоретические результаты, описывающие формирование таунсендовского, стримерного и объемного разрядов в инертных газах высокого давления. Описаны использованные в работе методы диагностики основных параметров разрядов. Начальная концентрация электронов, создаваемая внешним ионизатором, в который вкладывалась энергия 0,3 - 0,4 Дж, оценивалась по измеренному току в разрядной цепи при постоянном напряжении на промежутке (100-300 В. При этом скорость дрейфа электронов как функция отношения Ер считалась известной [9], а сечение разряда определялось по диаметру электродов. Для улучшения отношения сигнал/шум и согласования с передающим кабелем применялся эмиттерный повторитель на высокочастотном транзисторе. По известному сечению разряда и измеренному току определялась средняя плотность тока и концентрация электронов. Скорости распространения разряда и пространственно-временная структура его развития регистрировалась с помощью фотоэлектронного регистратора ФЭР2-1. Изучены режимы и пространственные формы исследованных разрядов в широком диапазоне изменения начальных условий. Показано, что напряжение на разрядном промежутке имеет две фазы изменения а) быстрая фаза изменения напряжения, связанная с пробоем б) квазистационарная фаза, в течение которой напряжение и ток разряда постоянны (§1 При атмосферном давлении без предыонизации определена граница по напряжению, выше которой пробой развивается по стримерному механизму. Известно, что результаты измерения времен формирования позволяют определить механизм пробоя. Поэтому для каждого значения напряжения на исследуемом промежутке измерялись времена формирования (времена запаздывания) как при наличии предыонизатора, таки без него. Оказалось, что наиболее существенное изменение величин времен формирования происходит в интервале напряжений от 5 до 6 кВ (при d=l см, р Тор. Можно предположить, что в этом интервале происходит смена механизма пробоя от таунсендовского к стримерному. Так как при таунсендовском механизме в формировании разряда основную роль играют вторичные процессы на катоде, которые обеспечивают непрерывный рост тока разряда, то времена формирования (точнее - времена запаздывания) таунсендовского разряда должны зависеть от материала электродов. Зависимость времен формирования разряда от напряжения на разрядном промежутке для разрядных промежутков с медными и алюминиевыми электродами показывает, что при обе кривые практически сливаются, что указывает на стримерный механизм пробоя. Одновременно с измерением времен формирования (запаздывания) разряда проводились измерения других параметров (предпробойных токов, свечения промежутка с пространственными временным разрешением, спектрального состава излучения и т.д.). На рис показана характерная осциллограмма предпробойного тока (Ео=6 кВ/см) и сопоставленные с ней фотографии свечения предпробойной стадии разряда. Исследование роста тока на предпробойных стадиях позволяет проследить за развитием ионизации в промежутке, а при известной геометрии разряда оценить концентрацию электронов на различных стадиях. Как видно из рис, первое регистрируемое свечение возникает на аноде притоках что соответствует концентрации электронов Зона свечения, распространяясь со скоростью 10 8 см/с, перекрывает весь промежуток. Скорость нарастания тока на этой стадии Ю Ас. Сопоставление динамики изменения тока с пространственно-временными картинами развития разряда позволило предположить следующий механизм формирования стримерного пробоя в гелии. На первом этапе при нарастании ионизации в лавине до электронных концентраций =10 1 см создаются условия лавинно-стримерного перехода радиус лавины становится соизмеримым с радиусом Дебая, На втором этапе, когда концентрация электронов у анода достигает значения =10 13 см" 3 , создаются условия для перехода ионизированного газа у анода в плазменное состояние (выполняется условие те. происходит экранировка внешнего поляна дебаевской длине. Появление плазмы перераспределяет электрическое поле, усиливая его в пространстве, незанятом плазмой. Электроны, образованные на границе излучением плазмы, дают начало новым лавинам в усиленном поле, обеспечивая тем самым распространение плазменной области вглубь промежутка. Наиболее ясное представление о динамике ионизационных процессов дают пространственно-временные исследования свечения газоразрядного промежутка. В представлены пространственные формы разрядов и методы их регистрации. Для создания и поддержания устойчивого объемного разряда экспериментальная установка позволяет обеспечить однородность электрического поля межэлектродного пространства, создать высокий уровень предыонизации, удовлетворяющий условию перекрытия электронных лавин, уменьшить длительность высоковольтных импульсов, прикладываемых к промежутку, подобрать материал электродов для обеспечения однородной воспроизводимости вторичных электронов с катода. В приведены эопограммы формирования пробоя в условиях интенсивной предыонизации, и наибольшее внимание уделяется динамике формирования самостоятельного объемного разряда и анализу полученных результатов Сопоставление пространственных картин с электрическими характеристиками показывает, что при облучении промежутка внешним ионизатором (ионизатор расположен сбоку от оси основного промежутка, электроды сплошные) первое регистрируемое свечение возникает на аноде через 40 не после приложения внешнего поля с характерным размером (а-коэффициент ударной ионизации, которое в дальнейшем в виде диффузного свечения распространяется к катоду. При прохождении фронта диффузного свечения выравнивается распределение концентрации плазмы по длине зазора, при этом формируется столб квазистабильного тлеющего разряда и область прикатодного падения потенциала (см риса) Таким образом разряд переходит в следующую фазу - фазу объемного горения. В процессе формирования ОР наблюдается спад напряжения до некоторого квазистационарного значения - напряжения горения ОР. В результате уменьшается скорость ионизационных процессов в столбе разряда и устанавливается состояние, когда процессы рождения заряженных Рис.1. Осциллограмма предпробойного тока и фотографии свечения предпробойной стадии разряда в гелии частиц компенсируются процессами их гибели. На этой стадии основные характеристики разряда остаются постоянными. В случае расположения внешнего ионизатора за анодом (на расстоянии 1,5- 2 см, вклад энергии формирование ОР происходит путем объемной ионизации газа в однородном поле. В этом случае при малых напряжениях пробоя кВ разряд горит стационарно и характеризуется высокой однородностью свечения (рис б, фото) и длительностью горения. При напряжениях кВ и плотностях тока 40 формируются диффузные каналы, привязанные к катодным пятнами разряд переходит в канальную форму (рис б, фото Если катодное пятно возникло на фоне однородного горения разряда, то искровой канал образуется, как правило, в два этапа. Вначале в промежутке формируется диффузный канал, привязанный к катодному пятну (см. рис б, фото 2). На втором этапе со стороны катода вдоль диффузного канала прорастает высокопроводящий контрагированный искровой канал, яркость свечения которого соизмерима с яркостью свечения прикатодной плазмы. Обнаружено также, что при увеличении числа катодных пятен появление искрового канала в промежутке задерживается. Это происходит потому, что ток объемного разряда распределяется одновременно на несколько катодных пятен, в результате чего плотность тока в отдельном диффузном канале уменьшается и оказывается недостаточной для распространения искрового канала. Расположение нитевидных диффузных каналов носит случайный характер, что особенно заметно при больших перенапряжениях: отдельные каналы наблюдались с изгибами и по мере прорастания имели тенденцию к расширению в головной части. Рис.2. Покадровые картины формирования ОР в Не при (аи интегральные картины свечения промежутка (б При напряжениях на промежутке и выше на аноде возникают анодные пятна и привязанные к ним диффузные каналы размерами мм, (возможно, определяемые размерами ячеек сетчатого анода, которые распространяются к катоду. Встречаясь в промежутке, они образуют каналы с большей яркостью свечения и размерами мм. Количество прикатодных нитевидных каналов тем больше, чем выше однородность поля. Из этой группы каналов, как правило, выделяется один, по скорости своего развития заметно опережающий все остальные. Когда такой канал достигает противоположного электрода, ток в канале резко возрастает, и развивается пробой газового промежутка с образованием яркого дугового канала. В условиях экспериментов наиболее мощные каналы, замыкающие разрядный промежуток, чаще всего образуются у катода. Эксперименты показывают, что картины перехода объемного состояния разряда в контрагированное весьма разнообразны и зависят от состава и давления газа, конструкции разрядных электродов, режимов горения и типов разрядов. Следует отметить, что пробой разрядного промежутка всегда происходит только по основному каналу, а ответвленный остается в незавершенной фазе. Неоднозначность в формировании объемного разряда при различных способах расположения подсвета связана с неоднородностью начальной концентрации, создаваемой подсветом. В 1.6 приведены результаты экспериментальных исследований электрических характеристик разряда. В зависимости от прикладываемого внешнего поля и давления газа определены критические значения плотности тока, концентрации электронов и удельных энерговкладов, выше которых ОР контрагируется в искровой канал. Далее приводятся экспериментальные результаты о времени зажигания разряда, энерговкладе в объемный разряд, влиянии начальных условий на длительность и устойчивость объемной фазы разряда. Показано, что объемный разряд в Не представляет собой аномальный тлеющий разряд с концентрацией электронов и высокой плотностью тока длительность и устойчивость которого определяется критической плотностью тока и предельным удельным энерговкладом и не зависят оттого, каково внешнее поле и сечение разряда. Напряжение горения объемного разряда составляет В при атм, см и не зависит от величины приложенного поля при постоянном давлении газа в промежутке. С ростом давления напряжение горения объемного разряда линейно возрастает. Несмотря на значительные энерговклады в объемный разряд его сопротивление остается постоянными уменьшается с ростом пробойного напряжения. Во второй главе диссертации приводится краткое описание экспериментальной установки и методов измерений параметров плазмы импульсных разрядов атмосферного давления по спектрам излучения. Диагностический стенд включает в себя вакуумную систему, спектрографы (СТЭ-1, ДФС-458 С, монохроматоры (ДМР-4, МДПС-3), генератор импульсов напряжения с амплитудой до 30 кВ и фронтом нарастания не, фотоумножители (ФЭУ-29, ФЭУ-30, ФЭУ-77, ФЭУ-79, ФЭУ-87), разрядные камеры с кварцевыми окнами, скоростные и высоковольтные осциллографы, систему синхронизации и предыонизации (создаваемая плотность электронов Здесь же приводится описание фотоэлектрического метода записи спектра излучения разряда с временным разрешением не. Обосновываются также основные методики измерений, и анализируются их погрешности. В обсуждаются результаты спектроскопических исследований объемных и контрагированных разрядов. В разряде в гелии наиболее интенсивными спектральными линиями, возбуждаемыми в видимой области спектра, являются линии Hel: 667,8; 587,6; 501,6; 492,2; 447,1 нм, а в близкой УФ области линия Hel 388,9 нм. В искровом канале хорошо регистрируется наиболее яркая линия ионизованного гелия Hell 468,6 нм. Режим протекания тока однозначно взаимосвязан с пространственной формой и типом разряда в ОР ток носит апериодический характер, в контрагированном разряде устанавливается колебательный режим затухания тока, который определяет продолжительность свечения разряда. Установлено, что интенсивность свечения объемного разряда слабо зависит от величины внешнего поля. Атомарная линия Hel 587,6 нм имеет три характерных максимума (см. риса, а другие - два, например, линия Hel нм (см. рис, при этом первые максимумы линий повторяют соответствующие максимумы тока, а третий - рекомбинационный и возникает в момент, когда напряжение на промежутке упало до нуля, и связан только с процессами рекомбинации. На фазе сильноточного диффузного разряда ив искровом канале интенсивности спектральных линий возрастают, возбуждаются достаточно интенсивно ионные линии гелия Hell 468,6 нм и 320,7 нм. Изменение ионных линий во времени повторяют ход изменения разрядного тока и на стадии объемного разряда слабо зависят от внешнего поля. С ростом давления газа в промежутке наблюдается увеличение интенсивности излучения атомарных и ионных линий Несвязанное спадением температуры электронов в плазме и охлаждением электронов в упругих столкновениях с атомами Не, а также некоторым возрастанием концентрации в этих условиях. Возникновение ионных линий гелия рассматривается как доказательство возрастания температуры при образовании искрового канала. Наличие в спектре прикатодной плазмы спектральных линий атомов и ионов материала электродов (паров алюминия и железа) является следствием возникновения катодных пятен и распыления материала электродов. Одновременная регистрация интенсивности излучения и импульса напряжения позволила определить момент возбуждения спектральных линий в разряде относительно момента приложения напряжения. Обнаружено, что на временной зависимости интенсивностей линий атомов алюминия (Al I 396,1 нм 394,4 нм) наблюдаются два максимума (см. риса, а железа - один (см. рис б). Рис.3 а. Характерные временные зависимости интенсивности спектральной линии Hel 587,6 нм (верхний луч - в отн ед) и тока разряда (нижний луч - А/дел) при начальных условиях кВ, Развертка -1 мкс/дел. Рис.Зб. Характерные временные зависимости интенсивности спектральной линии нм (верхний луч- в отн ед) и тока разряда (нижний луч - 30 А/дел) при начальных условиях Тор. Развертка - 0,5 мкс/дел. Для определения времени запаздывания формирования катодного пятна (КП) синхронно стоком или напряжением разряда регистрировались интенсивности следующих спектральных линий материала электродов алюминия и железа Al I 396,1 нм 394,4 нм, Fe 1364,5 нм 344 нм. Рис.4. Характерные временные зависимости интенсивностей спектральных линий алюминия (а) (амплитуда напряжения 4 кВ) и железа (б) вблизи катода Так как длительность однородного горения ОР зависит от величины прикладываемого поля, были исследованы интенсивности спектральных линий материала электродов при различных значениях отношения совместно с импульсом напряжения на промежутке. Экспериментально установлены общие закономерности в спектральных линиях материала электродов. Показано, что второй максимум на осциллограмме спектральной линии алюминия имеет рекомбинационную природу. Рассмотренные результаты позволяют заключить, что при увеличении перенапряжения напряжение статического пробоя) уменьшается время формирования катодного пятна, обусловленное увеличением прикатодного падения потенциала и плотности тока разряда. В §2.3 приведены результаты расчетов степени однородности плазменного столба в зависимости от величины поля, давления газа и концентрации электронов предыонизации. Здесь же с учетом флуктуации как количества электронов в отдельных лавинах, таки флуктуации в пространственном распределении лавин получены условия и определены механизм формирования однородного разряда. Детально исследована динамика оптического излучения поперечного наносекундного разряда с щелевым катодом Обоснован выбор формы полого катода и расстояния между электродами для обеспечения устойчивого горения объемного разряда при средних давлениях газа. Исследования выполнены в разрядах в гелии и аргоне при давлениях 1-100 Тор. Получены пространственно-временные картины формирования разряда с щелевым катодом с наносекундным временным разрешением при различных прикладываемых напряжениях. Определены условия, при которых в гелии ив аргоне формируются ОР, искровые каналы и катодные пятна. В §2.5 рассматриваются результаты спектральных измерений концентрации и температуры электронов в искровом канале ив СДР. Концентрация и температура электронов на более поздних стадиях развития определялись соответственно по штарковскому уширению контура линии Hell 468,6 нм и по методу относительных интенсивностей. |