Взаимодействие и устойчивость различных форм импульсного пробоя газов высокого давления
 Скачать 413.04 Kb.
|
|
26 3. Впервые обнаружено, что при высоких энерговкладах Дж, полях и значительных перенапряжениях объемный разряд в Не переходит в необычный режим объемного горения - сильноточный диффузный разряд, в котором практически отсутствует контракция и который характеризуется высокой концентрацией электронов , плотностью тока и длительностью объемного протекания тока. Изучено влияние граничных условий на электродах на однородность плазменного столба в процессе формирования объемного разряда. Показано, что стадия формирования ОР оказывается наиболее критичной к появлению зарядовых и других неоднородностей на катоде, а условия к концу стадии формирования катодного слоя определяют запас устойчивости разряда. Показано, что устойчивость однородного горения ОР определяется плотностью рабочего газа, величиной отношения энерговкладом в разряд, которые должны быть меньше определенных критических значений. При этом объемный разряд в Не представляет собой аномальный тлеющий разряд с высокой плотностью тока Применение закона подобия к анализу ОР показывает, что при постоянном давлении рост внешнего поля приводит к увеличению отношения а также катодного падения потенциала и при некоторой критической плотности тока объемный разряд переходит в искровой. В прикатодной области разряда неизбежно формируются высокие значения напряженности электрического поля которые возрастают с ростом плотности тока разряда. А для самой плотности тока существуют критические значения, выше которых ВАХ катодного слоя становится падающей за счет процессов автоэмиссии. Выяснено, что появление катодного пятна при высоких давлениях является одной из серьезных причин, затрудняющих устойчивое горение ОР. Поэтому целесообразно применять такие условия формирования разряда, при которых зависимость коэффициента ударной ионизации от поля слабая. Этот случай соответствует высоким электрическим полям - пробою сильноперенапряженных промежутков. Впервые детально исследованы общие закономерности формирования спектра излучения приэлектродной плазмы объемного разряда в гелии и изучена кинетика заселения возбужденных состояний атомов паров материала электродов, формируемых в разряде в процессе электрического пробоя. Показано, что исследование особенностей изменения спектра излучения из различных областей разряда во времени является важным методом изучения поведения как самого разряда, таки процессов на катоде. На основе экспериментальных данных о времени запаздывания формирования спектра излучения прикатодной плазмы определены характерные параметры взрывоэмиссионных центров, а именно, расчетами показано, что в пределах изменения внешнего поля в диапазоне 4-14 кВ/см размеры взрывоэмиссионных центров уменьшаются от см до см, возрастают плотности тока от уменьшаются времена формирования катодных пятен, а удельная скорость эрозии отношение массы испаренного вещества к прошедшему заряду) остается постоянной величиной и не зависит от величины тока разряда, тес ростом тока увеличивается масса испаренного вещества. По спектрам излучения объемных и контрагированных разрядов получены экспериментальные результаты, поясняющие как особенности формирования КП, таки характер контракции ОР в искровой канал в Не, а по спектру излучения материала электродов определены длительности однородного горения ОР и времена запаздывания формирования катодных пятен. Установлено, что увеличение внешнего поля приводит как к уменьшению длительности однородного горения ОР, таки времени запаздывания формирования катодного пятна. Обнаружено, что замена алюминиевых электродов на стальные увеличивает как время однородного горения ОР, таки время запаздывания формирования КП, что, возможно, связано с разной работой выхода материала электродов. Показано, 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. Обнаружено, что в процессе развития пробоя интенсивность излучения спектральных линий материала электродов проходит через два максимума (интенсивность излучения на переходах атома характеризуется одинаковым поведением во времени и наличием одного максимума, а для атома А1 характерно наличие двух максимумов, первый из которых определяется временным ходом плотности тока а второй - остыванием плазмы и ростом рекомбинационного излучения. При этом расчетами показано, что их возбуждение происходит за счет ударного электронного возбуждения, а рекомбинационный максимум обусловлен процессами диэлектронной рекомбинации. Показано, что пары материала электродов, формируемых в разряде в процессе электрического пробоя, не оказывают заметного влияния на характерные времена релаксации плазмы ОР в гелии атмосферного давления. В частности, показано, что при одной и той же начальной концентрации и температуры электронов время релаксации этих параметров практически не зависит от концентрации паров металла. Однако плазма паров металла, образуемая при распылении электродов представляет интерес для получения стимулированного излучения в УФ областях спектра. Поэтому целесообразно продолжить исследования с целью применения спонтанного излучения эксимерных молекул буферного газа, концентрация которых в ОР по оценкам составляет 20-30% от концентрации электронов, для возбуждения атомов паров металла электродов. Впервые исследована релаксация плазмы наносекундного разряда в катоде с отрицательной кривизной при средних давлениях (1-100 Тор) при наличии паров материала электродов и показано, что рост концентрации паров металла приводит к росту энергетических потерь электронов и уменьшению подавлению границы перехода функции распределения от нелокальной к локальной. Кроме того, увеличение относительного содержания паров металла и давления газа приводит к увеличению параметра релаксации где - характерное время диффузии, - характерное время релаксации энергии электронов), который определяет потери энергии электронов в упругих и неупругих Столкновениях с атомами исследуемого газа и паров металла. Впервые выполнены детальные теоретические и экспериментальные исследования спектрального состава излучения из объема плазмы самостоятельного импульсного разряда в гелии атмосферного давления. Показан различный характер возбуждения атомарных и ионных линий исследуемого газа. а) На стадии объемного горения интенсивно возбуждаются спектральные атомарные, а в искровом канале ионные линии Не, интенсивность которых во времени проходит через ряд максимумов ( в наших экспериментах от одного до трех, которые связаны, в первую очередь, с наличием характерных максимумов концентрации и температуры плазмы в области максимумов разрядного тока, последний максимум - рекомбинационный и связан с уменьшением рекомбинационного излучения при остывании плазмы. б) Разработаны и реализованы математические модели для анализа кинетики процессов в плазме самостоятельного объемного разряда в гелии высокого давления как в чистом гелии, таки с учетом примесей паров металла. Рассчитаны характерные значения различных компонент плазмы (концентрация электронов, ионов, молекулярных ионов, эксимерных молекул гелия, заселенность уровней с температура электронов и полена стадиях формирования и объемного горения. Показано, что на стадии объемного горения образуются эксимерные молекулы гелия, которые служат эффективным резервуаром для вкладываемой энергии. в) Результаты численного моделирования показывают, что при рассмотренных начальных условиях время релаксации электронной плотности не зависит от внешнего поля, а определяется давлением газа в промежутке. Установлено, что образование в плазме молекулярных ионов гелия Не +Происходит в процессе конверсии, а их гибель обусловлена процессами диссоциативной рекомбинации с электронами, который является доминирующим рекомбинационным процессом. Опустошение заселенности возбужденного уровня со временем происходит как за счет процессов ступенчатого электронного возбуждения, таки процессов ассоциации с образованием эксимерных молекул которые разрушаются в реакциях ассоциативной ионизации. С ростом давления гелия наблюдается увеличение интенсивности излучения атомных и ионных линий, возможно, связанное спадением температуры электронов в плазме вследствие их охлаждения при упругих столкновениях с атомами Не, а также некоторым возрастанием концентрации в этих условиях. На основе экспериментальных и численных исследований предложена модель динамики формирования катодного слоя самостоятельного объемного разряда в гелии и разработан алгоритм ее решения. Показано, что формирование объемного разряда в гелии с предыонизацией происходит в процессе движения одной катодонаправленной волны ионизации, скорость которой определяется интенсивностью накопления положительных ионов на фронте волны. При этом основным процессом, обеспечивающим ток проводимости с катода на стадии формирования, является фотоэмиссия с катода. Для создания и поддержания устойчивого объемного разряда необходимо обеспечить однородность внешнего электрического поля в межэлектродном пространстве, создать высокий уровень предыонизации, удовлетворяющий условию перекрытия электронных лавин, уменьшить длительность высоковольтных импульсов, прикладываемых к промежутку, подбор материала электродов для обеспечения однородной воспроизводимости вторичных электронов с катода. Все вышеизложенное позволяет утверждать, что в диссертации сформулированы теоретические положения и представлены экспериментальные результаты, совокупность которых можно рассматривать как новое крупное достижение в развитии физики самостоятельных импульсных разрядов в газах среднего и высокого давления. Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Хачапов М.Б., Шабаев Г.К., Курбанисмаилов B.C. Формирование искрового канала в аргоне в условиях интенсивной УФ подсветки. //Межвуз. науч. тем. сб.: Пробой диэлектриков. Махачкала, 1984. 2. Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Хачапов М.Б., Тимофеев В.Б. Тлеющая фаза импульсного разряда в гелии. В сб.: Тез. докл. VII Всес. конф. по ФНП, Ташкент, 1987. С. 114-115. 3. Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. К стримерному пробою в гелии. В сб.: Тез. докл. IV Всес. конф. по ФГР. Махачкала, 1988.4.1. С Курбанисмаилов B.C., Кадиева П.Г., Хачапов М.Б. Характеристики объемного разряда в Не атмосферного давления. В сб.: Тез. докл. IY Всес. конф.по физике газового разряда. Махачкала, 1988. 4.2. С -160. 5. Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Тимофеев В.Б. Искровой разряд высокого давления в гелии. Деп. В ВИНИТИ 06.03.89. № В, Москва, 1989. Юс Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Тимофеев В.Б. Хачапов М.Б. Влияние предыионизации газа на формирование разряда в аргоне. Деп. ВИНИТИ, № В, 1989. 13 с Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Хачапов М.Б. Объемный разряд в гелии при атмосферном давлении. Ред. Журн. "Изв. Вузов. Физика" Деп. ВИНИТИ, №7089-В89.10с. 8. Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Тимофеев В.Б. Формирование (примерного пробоя в гелии. //ТВТ. 1989.56, №3. С -1223. 9. Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Хачапов М.Б. Измерение слабых разрядных токов. Измерительная техника. 1989. № 3. С.30-31. 10.Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. Длительность и устойчивость объемного разряда в гелии атмосферного давления. В сб.: Тез. докл. Y Всес. конф. по ФГР. Омск, 1990. С. 67-68. 30 11.Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. Импульсный газовый разряд в гелии атмосферного давления. //Межвуз. сб.: Физика газового разряда. Махачкала. С. 97-105. 12.Ashurbekov N.A., Iminov K.O., Kurbanismailov V.S., Omarov O.A. Development kinetics of ionization fronts and their Impact on nanosecond discharge optic characteristics. //XX Int. Conference in Phenomena of Ionized Gases: Italy. Piza, 1991.P.540-541. 13.Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. Сильноточная диффузная фаза импульсного объемного разряда в Не атмосферного давления. В сб.: Тез. докл. YIII Всес. конф. по ФНП. Минск, 1991.4.2. С. 85-86. 14.Гаджиев АЗ, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Омарова ИО Оптические характеристики плазмы импульсного разряда в Не атмосферного давления. //ЖПС.1992. Т. С- 460. 15.Ашурбеков НА, Таибов К.Т., Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. Релаксация заселенности метастабильных уровней атомов гелия в процессе волнового пробоя. В сб.: Тез. докл. YII Всес. конф. ФГР. Самара, 1994. Т. С. 177-178. 16.Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. К вопросу о характере контрагирования объемного разряда в гелии атмосферного давления. //ТВТ.1995. ТЗЗ. №3. С. 346-350. 17.Ашурбеков НА, Омаров О.А., Курбанисмаилов B.C. Разработка лазерных методов диагностики процессов волнового пробоя в активных средах мощных импульсных газовых лазеров. В сб.: Лазерная физика. С.- Петербург. 1995. Вып. С.34-35. 18.Ашурбеков НА, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Иминов КО Динамика развития поперечного наносекундного разряда с щелевым катодом. //Вестник ДГУ. С Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. Устойчивость самостоятельного объемного разряда. Вестник ДГУ.1997. Вып. 1. С.З2-36. 20.Ашурбеков НА, Иминов КО, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. Ионизационная релаксация поперечного наносекундного разряда с щелевым катодом. /ЯВТ.1998. Т, №3. С.368-373. 21.Ашурбеков И.А., Омаров О.А., Курбанисмаилов B.C. Пеннинговские плазменные лазеры на смесях инертных газов. В материалах научной сессии межведомственного совета РАН по комплексным проблемам физики, химии и биологии. Ростов,1998. 22.Ашурбеков НА, Иминов КО, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. Динамика оптического излучения поперечного наносекундного разряда с щелевым катодом. Оптика и спектроскопия. 1998. Т, №4. С.556-562. 23.Ашурбеков НА, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. Прикатодная плазма объемного разряда в гелии атмосферного давления. В сб.: "Плазма XX век". Петрозаводск, 1998. С Ашурбеков НА, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. Современные представления по пробою газов высокого давления. В сб.: Материалы Веер. конф. по физической электронике. Махачкала, 1999. С 25.Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Хачалов М.Б. Формирование искрового канала в аргоне. В сб.: Тез. докл. I Веер. конф. по физической электронике. Махачкала, 1999. С.114-117. 26.Ашурбеков НА, Арсланбеков МА, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. Закономерности формирования самостоятельного импульсного объемного разряда в гелии атмосферного давления. Обзор, докл. в сб.: Материалы Веер. конф. по физической электронике. Махачкала, 1999. С.36-52. 27.Ашурбеков НА, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А.., Омарова И.О. Поляризация состояний атомов гелия при волновом механизме пробоя газа. //ТВТ.1999. Т, №4. С.550-553. 28.Ашурбеков НА, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Омарова НО Кинетика возбужденных атомов и оптическое излучение при волновом механизме пробоя инертных газов. /ЛБТ.2000. Т, №5. С.823-839. 29.Ашурбеков НА, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Омарова КО. Поляризация состояний атомов гелия на фронте высокоскоростной волны ионизации. Изв. РАН. Серия физическая. 2000. Т, №7. С Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Ашурбеков НА, Кадиева П.Г. Моделирование электрокинетических характеристик импульсного пробоя в Не атмосферного давления. Вестник ДГУ. 2000. С Ашурбеков НА, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. Спектральные временные исследования объемных и контрагированных разрядов. В сб.: Материалы II Веер. конф. по ФНТП. Петрозаводск, 2001. Т.1.С.267-270. Ъ2.Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Рагимханов Г.Б., Гаджиев М.Х. Особенности спектров излучения самостоятельного объемного разряда в гелии. Вестник ДГУ. 2002. Вып. С. 34-38. ЪЪ.Абдурагимов Э.И., Ашурбеков НА, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Рагимханов Г.Б. Формирование катодного слоя самостоятельного объемного разряда в гелии. Изв. вузов. Северо - Кавказский регион. Естеств. науки. №4. С.31-36. 34.Ашурбеков НА, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. Самостоятельные импульсные разряды в плотных инертных газах, развивающихся в режиме перенапряженных промежутков. В сб.: Материалы Межд. конф. по фазовым переходами нелинейным явлениям. Махачкала, 2002. С.241-244. 35.Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Рагимханов Г.Б. Компьютерное моделирование нелинейных явлений нестационарной плазмы объемного разряда. В сб.: Материалы Межд. конф. по фазовым переходами нелинейным явлениям в конденсированных средах. Махачкала. 2002. С.54-57. 36.Курбанисмаилов B.C., Ашурбеков НА, Омаров О.А., Рагимханов Т.Б., Гаджиев М.Х. Импульсный разряд в парогазовых смесях гелия высокого давления. В сб.: Тез. докл. XXX Всес. конф. по физике плазмы и УТС. Звенигород, 2003. С. 124. 37 Курбанисмаилов B.C., Ашурбеков НА, Омаров О.А., Рагимханов Г.Б., Гаджиев М.Х. Особенности формирования спектра излучения паров материала электродов в объемном разряде гелия. //VI International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers AMPL-2003 Tomsk, 2003. 32 38.Ashurbekov N.A., Kurbanismailov V.S., Omarov O.A. Irradiation Spectrum of Near - Catode Plasma in the Volumetric Helium Discharge of Atmospheric Pressure. //IY Int. Conference in FPPT-4. Minsk, 2003. 39.Ашурбеков НА, Арсланбеков МА Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. Самостоятельные импульсные разряды в парогазовых смесях инертных газов. //В сб.: Материалы III Веер. конф. по физической электронике. Махачкала. С.40-59. 40.Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Рагимханов Г.Б., Гаджиев М.Х. Формирование и режим стационарного горения объемного разряда в гелии. //В сб.: Материалы III Веер. конф. по физической электронике. Махачкала, 2003.С.161-165. 41.Ашурбеков НА, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. Самостоятельный объемный разряд в гелии атмосферного давления. Прикладная физика. 2003. №4. С.20-29. А2.Ашурбеков НА, Омаров О.А., Курбанисмаилов B.C., Омарова ИО, Таибов К.Т. Оптическое излучение высоковольтных наносекундных газовых разрядов. //Обз. докл. в сб.: Материалы III Веер. конф. по физической электронике. Махачкала, 2003. С. 11-31. 43.Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Рагимханов Г.Б., Гаджиев М.Х. «Кинетические процессы в самостоятельно объемном разряде. В. сб.: Материалы III Веер. конф. по физической электронике. Махачкала, С Ашурбеков НА, Арсланбеков МА, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А. Сильноточный диффузный разряд в гелии атмосферного давления. В. сб.: Тез. докл. XXXI Веер. конф. по физике плазмы и УТС. Звенигород, 2004. С.270. 45.Ашурбеков НА, Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Рагимханов Г.Б., Гаджиев М.Х. Ионизационно-рекомбинационные процессы в плазме импульсного объемного разряда в гелии. В сб.: Тез. докл. XXXI Веер. конф. по физике плазмы и УТС. Звенигород, 2004. С.269. 46.Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Ашурбеков НА, Рагимханов Г.Б., Гаджиев М.Х. Импульсный разряд в парогазовых смесях гелия высокого давления. Прикладная физика. 2004. №3. С.41-46. 47.Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Рагимханов Г.Б., Гаджиев М.Х. Моделирование процесса формирования волны ионизации в гелии атмосферного давления. В сб.: Матер. Межд. конференции по фазовым переходам, критическими нелинейным явлениям в конденсированных средах. Махачкала, 2004. С.76-79. 48.Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Ащурбеков НА, Рагимханов Г.Б., Гаджиев М.Х. Кинетика формирования оптического излучения в импульсном разряде гелия атмосферного давления. В сб.: Материалы Всероссийской конференции по физике низкотемпературной плазмы. Петрозаводск, 2004. Цитированная литература Ретер Г Электронные лавины и пробой в газах Перс нем. под ред. B.C. Камелькова. М Мир, 1968. 390 с. ЛозанскийЭД., ФирсовО.Б. Теория искры. М Атомиздат, 1975.272 с Бройтман А.П., Омаров О.А., Решетняк С.А., Рухадзе А.А. Плазменная модель электрического пробоя газов высокого давления. Препринт ФИАН СССР. Мс. 138-140. 5. Карнюшин В.М., Солоухин Р.И. Макроскопические и молекулярные процессы в газовых лазерах. М Атомиздат, 1981. 6. Бычков Ю.И., Королев Ю.Д, Месяц ГА, и др Объемные разряды, применяемые для накачки эксимерных лазеров. В кн Лазерные системы. Новосибирск: Наука, 1980. С Козырев А.В., Королев Ю.Д., Месяц ГА, Новоселов Ю.И., Шемякин И.А. Контракция объемного разряда, инициируемого ультрафиолетовым излучением в смеси Аг: SF 6 . //ЖТФ.1981.Т.51, Вып. С. 1817-1822. 8. Иванов И.Г., Латуш ЕЛ, Сэм М.Ф. Ионные лазеры на парах металлов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с Курбанисмаилов B.C., Омаров О.А., Ашурбеков НА, Рагимханов Г.Б., Гаджиев М.Х. Импульсный разряд в парогазовых смесях гелия высокого давления. Прикладная физика. 2004. №3. С.41-46. 10.Омаров О.А. Импульсные разряды в газах высокого давления Учебное пособие. Махачкала, 2001. 336с. 11.Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Искровой разряд Учебное пособие М Изд-во МФТИ. 1997. 320 с. 12.Бронин С.Я., Колобов В.М. О нормальной плотности тока в несамостоятельном разряде. //ТВТ.1980. Т. С.46-51. 13.Королев ЮД., Месяц ГА Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде. Новосибирск Наука, 1982.255 с Подписано к печати 22 102004 Печать офсетная Формат бумаги 60x84 1/16 Заказ 514 Тираж 100 экз Издательско-полиграфический центр ДГУ Махачкала, ул М Ярагского, а РНБ Русский фонд 21371 |