Взаимодействие и устойчивость различных форм импульсного пробоя газов высокого давления
 Скачать 413.04 Kb.
|
|
В третьей главе диссертации рассматриваются механизмы электрического пробоя газов высокого давления. Большое количество экспериментальных исследований пробоя газов высокого давления привело к обилию данных о характере зарождения и развития стримеров. Обзор этих , работ, посвященных в основном вольтамперным и оптическим характеристикам разряда, дан во многих монографиях, в частности в Как показывают наши исследования, с приложением импульса напряжения к плоскому промежутку начинается ионизационное размножение заряженных частиц в узком канале, начальные стадии которого можно разделить натри этапа первый соответствует росту концентрации электронов примерно до см (развивается лавина ионизации второй - это переход лавины в плазменное состояние, распространяющееся к электродам со скоростями большими, чем скорость дрейфа лавины третий этап связан с дальнейшим ростом концентрации заряженных частиц допри которой происходит экранировка внешнего поля в плазменном образовании Каждый из этих этапов можно рассматривать как распространение волны ионизации (§3 Таким образом, второй этап развития теории стримерного пробоя связан с возникновением плазменной модели пробоя газов высокого давления. В отличие от классической теории, согласно этой модели в плазменной области лавины происходит быстрая дебаевская экранировка внешнего поля и, как следствие, быстрое охлаждение электронов Вызванный охлаждением электронов процесс рекомбинации приводит к появлению интенсивного ионизирующего излучения и другому характеру распространения стримера. В заключение отмечается, что стримерный пробой происходит при амплитудах электрического поля больших минимального значения которое определяется условием перехода лавины в плазменное состояние к моменту достижения лавиной анода. С другой стороны стример не развивается при некотором максимальном значении при котором реализуется режим непрерывного ускорения электронов Рис.5. Последовательные стадии развития плазменной области в гелии при полях Поскольку для разряда в гелии кВ/см является нижней границей существования стримерного пробоя, тона рис приведены последовательные стадии развития плазменной области при полях 6 кВ/см (а, 10 кВ/см (б) и 14 кВ/см (в. Во всех случаях наблюдаются формирование и развитие узких, диаметром 0,1-0,2 см, плазменных образований. С ростом напряженности поля число этих образований увеличивается (ср. аи б на рис. Радиус плазменного образования по мере его распространения увеличивается за счет амбиполярной диффузии. Образование катодного пятна (последний кадр, риса) приводит к распространению искрового канала, те. имеет место трансформация плазменных образований в искровой канал, повторяющий характерные искривления траектории одного из них. В последующем искровой канал переходит в однородный столб дуги. Начало отсчета времени под картинами берется с уровня 0,9 (фронта нарастания) от амплитудного значения пробойного поля. Анализ результатов по пробою газов высокого давления позволяет выявить следующие общие закономерности. Стримеры могут возникнуть либо водной, либо в нескольких областях разрядного промежутка и распространяться к обоим электродам Скорость стримеров меняется в пределах от см/с, при этом она более чем на порядок превосходит скорости дрейфа лавины. В §3.3 рассматриваются самостоятельные разряды с предыонизацией и изучены характеристики горения ОР, а также проанализированы литературные данные о механизмах и моделях формирования ОР, в частности, о наличии нижней и верхней границы зажигания и горения ОР. Показано, что появление нижней границы зажигания объемного разряда вызвано проявлением катодной неустойчивости, ведущей к расслоению разряда на стадии его формирования. Естественно, что интерес представляет стадия, когда в разряде имеют место две ярко выраженные области обедненная зарядами зона у катода и плазменный столб. В это время плотность тока такова, что разряд находится в поднормальном режиме, следовательно, не может занимать всю поверхность электродов и должен расслаиваться. На возможность расслоения разряда на стадии формирования ранее указывалось в работе Этот процесс может привести к резкому изменению вольтамперной характеристики, если реализуются условия, достаточные для развития автоэмиссии Экспериментально показано, что когда катодонаправленный плазменный столб пересекает промежуток (см. риса, разряд остается однородным. В случае, когда ионизационная волна в обедненной зоне вследствие расслоения приобретает нитевидный характер, то при высоких перенапряжениях разряд переходит в сильноточный диффузный режим (СДР, см. Подобная ситуация может реализоваться, когда на катоде имеется микронеоднородность, искажающая внешнее электрическое поле. Результаты этих исследований можно суммировать следующим образом: 1.При фиксированном взаимном расположении электродов основного и вспомогательного разрядов, излучение которого создает предыонизацию, существует некоторое минимальное значение энерговклада на предыонизацию, ниже которого не удается получить объемный разряд ни при каких значениях начальной напряженности поля и времени задержки между включением разрядов Оптимальная величина сдвига между включением вспомогательного и основного разрядов равна длительности импульса подсветки. При фиксированном режиме предыонизации существует определенный диапазон начальных напряжений, в пределах которого реализуется устойчивый объемный разряд. Для разряда в гелии этот диапазон находится в пределах кВ. Способ инициирования начальных электронов определяет пространственную структуру разряда на стадии формирования и структуру разряда на более поздней стадии коммутации. Равномерное распределение начальных электронов в промежутке обеспечивает объемное протекание тока. В четвертой главе рассматриваются физические процессы, влияющие на устойчивость однородных объемных разрядов. В §4.1-4.2 представлены результаты исследования физического механизма формирования и развития плазменного столба и катодного слоя объемного разряда в гелии при атмосферном давлении. Здесь же рассматриваются результаты анализа роли приэлектродных процессов в формировании искрового канала. В приэлектродной области разряда неизбежно формируется высокое значение напряженности поля, которое растет с ростом плотности тока вблизи катода. В конечном итоге это приводит к переходу от однородной формы горения к контрагированному разряду. Причиной образования контрагированного канала может служить развитие неустойчивости, вызванной нарушением однородности протекания тока в катодном слое. В §4.3 представлены результаты экспериментальных исследований особенностей прорастания искрового канала из катодного пятна в гелии ив аргоне. Анализ покадровых картин формирования и развития ОР показал, что неустойчивость разряда обусловлена неустойчивостью катодного слоя. Роль инициирующих факторов при этом играют катодные и анодные пятна. Об этом свидетельствуют картины распределения интенсивности излучения в промежутке (рис, где х-координата, меняющаяся вдоль электродов, у- поперек электродов). В результате развития неустойчивости плотность тока на отдельных участках катода возрастает, при этом уменьшается катодное падение потенциала, а напряженность поля Е к на катоде продолжает нарастать с ростом хотя и медленнее, чем в отсутствии автоэмиссии. Именно это и является предпосылкой дальнейшего увеличения тока автоэмиссии и последующего перехода автоэлектронной эмиссии во взрывную. С увеличением прикладываемого поля число катодных пятен и соответственно число нитевидных каналов увеличивается. С ростом давления газа размеры нитевидных каналов в разряде уменьшаются. Здесь же показано, что, несмотря на высокую проводимость, поле в канале остается высоким, соответственно выше и плотность энергии, выделяемой в канале. Образование высокопроводящего канала создает необходимые предпосылки для его самоподдержания. С увеличением области, занятой каналом, увеличивается поле внутри канала, и процесс контракции разряда становится необратимым. Рассматривается подход, основанный на предположении, согласно которому катодное пятно вносит искажение в распределение электрического поля в столбе вблизи пятна. Тогда в усиленном поле происходит ударная ионизация и за счет роста проводимости потенциал вновь вытесняется из более ионизированной области в столб разряда. Так происходит распространение волны ионизации. Основная трудность при рассмотрении задачи о распространении ионизационной волны в плазме состоит в самосогласованном учете увеличения проводимости на фронте распространяющегося канала и вытеснения электрического поля из ионизированной области. Рис.6. Картины распределения интенсивности излучения (в отн.ед.) в промежутке как вдоль поля, таки поперек электродов (d = 1 см, р = 1 атм). Описываемая трактовка распространения волн ионизации предполагает, что увеличение проводимости на фронте происходит за счет размножения электронов при их соударении с нейтральными частицами Таким образом, обсуждаемые результаты показывают, что в широком диапазоне плотностей токов и длительностей горения разряда процесс контракции происходит за счет прорастания высокопроводящих каналов со стороны электродов. При этом роль инициирующих факторов для развития процесса контракции играют катодные и анодные пятна. Результаты исследования развития ОР при больших перенапряжениях и больших удельных энерговкладах представлены в Как и для случая разряда в смеси благородных газов (при приложении к электродам напряжения ниже пробивного) с галогенидами впервые обнаружено, что при высоких энерговкладах поля кВ/см) и значительных перенапряжениях объемный разряд в Не переходит в необычный режим объемного горения - сильноточный диффузный режим, в котором практически отсутствует контракция и который характеризуется высокой концентрацией электронов плотностью тока и длительностью объемного протекания тока с. Механизм образования СДР таков развитие объемного разряда затормаживается на промежуточной стадии - развиваются диффузные каналы, которые исходят из катодных пятен и перекрывают промежуток. В дальнейшем эти каналы, сливаясь, образуют однородный столб разряда высокой проводимости. Дальнейшее повышение напряжения приводит к росту числа катодных пятен на поверхности катода, из которых прорастают диффузные каналы, а диаметр столба СДР растет по мере увеличения приложенного напряжения. Так образуется в Не столб плазмы с высокой проводимостью. Распространение в промежутке последовательно перекрывающихся диффузных каналов при практически постоянном напряжении, возможно, связано с существованием механизмов ограничения плотности тока в Не, затрудняющих протекание полного тока разрядной цепи через один диффузный канал и приводящих к увеличению объема, занимаемого разрядом, в процессе роста вводимой в плазму энергии. Значительно больше энергии удается вводить в газ именно в фазе СДР. В пятой главе представлены результаты моделирования импульсного разряда в Не атмосферного давления и алгоритмы его реализации (обсуждаются результаты исследований электрокинетических характеристик на стадии формирования и устойчивого горения ОР. Численными методами получены результаты, позволяющие выяснить роль различных элементарных процессов в общей кинетике импульсного объемного разряда, инициируемого УФ - предыонизацией во взаимосвязи с параметрами внешней электрической цепи. Путем анализа скоростей различных элементарных процессов изучена их роль в общей кинетике развития объемного разряда. Показано, что на стадии формирования ОР доминирует процесс ударной ионизации атомов гелия из основного состояния, эффективность которого на порядок выше роли процессов ступенчатой и ассоциативной ионизации атомов. Роль последних двух процессов увеличивается на стадии горения ОР. Обратным процессом, обеспечивающим режим стационарного горения ОР, является диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов с электронами. Основным механизмом образования молекулярных ионов является процесс конверсии атомарных ионов в молекулярные. Характерное значение концентрации молекулярных ионов в ОР составляет что составляет 15-30 % от концентрации электронов в ОР. Рассчитаны характерные значения различных компонент плазмы (концентрация электронов, атомарных и молекулярных ионов, заселенности возбужденных состояний атомов, эксимерных молекул гелия, средней энергии электронов и величины электрического поляна стадиях формирования и объемного горения. Показано также, что на стадии объемного горения образуются эксимерные молекулы гелия, которые служат эффективным резервуаром для вкладываемой энергии. Экспериментально и численными методами показано, что сформированием объемного разряда напряжение горения при различных значениях стремится к такому значению, при котором остается постоянным. При этом ионизационная способность электрона максимальна и оптимальны условия для размножения электронов. Показано, что модель численного исследования электрокинетических характеристик объемных разрядов высокого давления позволяет правильно предсказать коммутационные характеристики этих разрядов при различных начальных условиях. В §5.2 приведены результаты численного моделирования процесса формирования катодного слоя объемного разряда в гелии. Показано, что на начальной стадии формирования разряда плазменный столб отодвигается от катода и между плазменным столбом и катодом образуется зона, обедненная электронами, в которой концентрация ионов больше, чем электронов. Ионы частично экранируют внешнее поле, ослабляя его в плазменном столбе и- усиливая в прикатодной области, что приводит к формированию в межэлектродном промежутке катодонаправленной волны ионизации (КВИ). Показано, что впереди фронта КВИ скорость ионизации газа мала из-за малого количества электронов, которые размножаются в искаженном электрическом поле при движении от катода к аноду, аза фронтом - из-за уменьшения напряженности электрического поля. И по мере накопления положительных ионов на фронте КВИ напряженность электрического поля впереди от КВИ увеличивается, и максимум ионизации газа сдвигается к катоду. Скорость КВИ увеличивается с увеличением интенсивности накопления положительных ионов, которая определяется как искажением электрического поля, таки скоростью рождения электронов на катоде за счет фотоэмиссии и по порядку величины составляет см/с. Здесь же показано, что основным механизмом, обеспечивающим непрерывность тока проводимости на стадии формирования ОР, является фотоэмиссия с катода. В §5.3 обсуждаются результаты влияния паров металла, формируемых при распылении материала электродов, на однородность, устойчивость и кинетику процессов в разряде. Анализируются результаты исследования особенностей инициирования и развития неустойчивостей ОР. По экспериментально измеренным временам запаздывания формирования катодных пятен оценены характерные размеры пятен и плотности тока через пятно, которые составляют величины порядка соответственно. Также показано, что средняя плотность тока в столбе jo определяет не только процесс зажигания катодного пятна, но и характер последующего горения разряда. В шестой главе рассмотрены релаксационные процессы в импульсных разрядах с различной конфигурацией электродов и длин разрядных промежутков как в инертных газах и их смесях, таки при наличии паров материала электродов, формируемых в разряде в процессе распыления электродов. В §6.1 рассмотрены результаты исследования релаксации в гелии ив парогазовой смеси гелия атмосферного давления. Отмечается, что процесс пробоя газа сопровождается многочисленными взрывами на поверхности электродов, приводящих к выбросу паров материла электродов в плазму. Поскольку пары металла обладают низким потенциалом ионизации по сравнению с атомами гелия, то они образуют с буферным газом пеннинговскую смесь. При этом в спектре излучения импульсного разряда в гелии формируются спектральные линии материала вещества электродов, обусловленные взрывоэмиссионным механизмом формирования катодных и анодных пятен. • Концентрация паров в области катодных и анодных пятен может быть высокой, а в объеме плазмы их концентрация, по проведенным нами оценкам, составляет величины порядка . Несмотря на существование паров металла, основной рост концентрации электронов в столбе обусловлен ионизацией атомов гелия, однако следует отметить, что атомы примеси, обладая низким потенциалом ионизации, могут создавать области повышенной проводимости в местах их преимущественного расположения. В §6.2 описаны результаты исследования процессов ионизационной релаксации в поперечном наносекундном разряде с щелевым катодом в гелии ив смеси гелий-аргон в диапазоне давлений газа 1-100 Тор. Показано, что энергия быстрых электронов, формирующихся в процессе пробоя, составляет величину порядка 1 кэВ. Проанализированы механизмы и особенности релаксации энергии этой группы электронов. Показано, что в процессе релаксации энергии быстрых электронов локальный режим формирования функции распределения электронов по энергиям сменяется на нелокальный' Для выяснения влияния паров материала электродов на релаксацию плазмы наносекундного разряда с щелевым катодом были рассчитаны параметры релаксации в меди и алюминии соответственно при различных парциальных давлениях смесей Установлено, что появление паров материала электродов в разрядном объеме приводит к росту энергетических потерь электронов в объеме и к уменьшению подавлению границы перехода функции распределения электронов от нелокальной к локальной. В рассмотрены результаты исследования релаксации плазмы в различных средах. В заключении отмечается, что в диссертации решена задача взаимосвязи и устойчивости различных форм импульсных разрядов высокого давления. При различных конфигурациях разрядного промежутка и материалах электродов определены механизмы их формирования в широком диапазоне изменения начальных параметров разряда величины поля давления газа в диапазонах 1-100 Тори атм, концентрации первичных электронов по от фоновой до значения Развиты методы комплексного исследования электрических, спектральных и оптических характеристик различных стадий импульсных разрядов высокого давления с наносекундным временным разрешением. Все этапы развития самостоятельного импульсного разряда (лавина, стример, ОР, искровой канал и дуга) исследованы сединой позиции, и обоснованы механизмы их естественного перехода из одной формы в другую, связанные с развитием неустойчивостей. Установлены общие закономерности устойчивости и взаимодействия различных форм импульсных разрядов. При этом получены следующие основные результаты. На основе систематического экспериментального и теоретического исследования начальных стадий импульсных разрядов в Не и Аг при напряжениях, близких к статическим пробойным, изучено влияние начальных условий на механизмы формирования таунсендовского, стримерного и объемного разрядов. Для разряда в Не теоретически рассчитано и экспериментально установлено существование границы по напряженности приложенного электрического поля (для разряда в Не атмосферного давления выше которой происходит смена механизма пробоя от таунсендовского к стримерному. Обобщены качественные представления о развитии начальных стадий искровых разрядов, позволяющие объяснить механизмы и скорости их распространения при различных давлениях и энерговкладах. Применительно к Не уточнена модель формирования стримерного пробоя. А именно, показано, что на первом этапе при достижении концентрации электронов значения см происходит экранировка внешнего электрического поляна дебаевской длине (плазменная модель, причем необходимо, чтобы время дебаевской экранировки было меньше характерного времени роста концентрации заряженных частиц в плазме вследствие лавинной ионизации атомов газа На втором этапе 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 внутрь промежутка. Получена общая картина формирования искрового канала в гелии ив аргоне как при стримерном пробое, таки в объемном разряде. Показано, что в гелии в условиях сильной предварительной ионизации рабочего газа разряд имеет объемную форму в широком диапазоне начальных напряжений, и определены оптимальные условия его зажигания. Длительность и устойчивость однородного горения объемного разряда определяется критической плотностью тока и предельным удельным энерговкладом Экспериментально показано, что в пределах изменения значений кВ/см, атм, см для объемного разряда в Не можно ввести безразмерную величину которая остается постоянной и не зависит оттого, какими начальными отношением Ер и сечением s разряд задается. При этом ионизационная способность электрона максимальна и оптимальны условия для размножения электронов. Получено аналитическое выражение для напряжения горения ОР как функции начальных условий эксперимента (величины поля, давления газа, материала электродов, длины промежутка и т.д.). |