Формирование сильноточного диффузного разряда в аргоне атмосферного давления

ФОРМИРОВАНИЕ СИЛЬНОТОЧНОГО ДИФФУЗНОГО РАЗРЯДА

В АРГОНЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Аль-Харети Фаваз Мохаммед Али

Хусейн Алаа Мохаммед Хусейн

Дагестанский государственный университет

, д. ф.-м. н.

Объемные электрические разряды в инертных газах широко используются для накачки газовых лазеров. Причем газ Ar выступают в качестве буферного газа во многих средах газовых лазеров. Дальнейшее повышение энергетических характеристик газовых лазеров достигается совершенствованием способов накачки и оптимизацией условий воз­буждения. Задача оптимизации накачки состоит в получении необходимых электрических характеристик плаз­мы разряда при сохранении ее пространственной однородности за время длительности импульса накачки. Неустойчивость разряда вызывает нарушение его однородности и приводит к переходу разряда из стадии объемного горения в канальную стадию (контрагированный разряд) или в сильноточный диффузный режим (СДР) [1-2]. Физические механизмы, ведущие к неустойчивости разряда, являются самыми различными. Задача усложняется тем, что в разных газах и смесях газов имеют место различные физические процессы, вызывающие неустойчивость разряда.

Поэтому практический интерес представляет изучение свойств разряда в чистых газах. С этой целью экспериментально исследованы электрические и пространственно-временные характеристики плазмы объемных, контрагированных и СДР разрядов, сам процесс контракции разряда и развитие плазменного факела в Arатмосферного давления в широком диапазоне изменений начальных условий инициирования разряда.

Экспериментальная установка и методы исследования подробно описаны в работах [3-4]. В экспериментах диагностика разряда включала регистрацию разрядного тока и напряже­ния на плазменном канале с применением цифровых осциллографов типа Актаком и Tektronix, фотографирование интегрального свечения разряда, а так же фотографирование пространственно-временных картин свечения промежутка с применением фотоэлектронного регистратора (ФЭР-2).

Рассмотрим развитие объемного разряда при больших перенапряжениях и больших удельных энерговкладах. С целью выяснения влияния начальных условий фотографировались разряды без временной развертки. Фотографии разряда показаны на рис.1: верхний ряд без предварительной ионизации (р=1атм; d=3мм), перенапряжение соответственно: 1 – 0%; 2 – 50%; 3 – 100%; 4 – 150%. Нижний ряд с предварительной ионизацией

Как видно из рисунка 1 (фото1), при малых перенапряжениях формируется однородный искровой канал, конечный диаметр которого у катода больше, чем у анода. При W=50% диаметр разряда с предварительной ионизацией меньше и форма близка к форме усеченного конуса(фото 2). При W=100% заметны отдельные диффузные каналы и в условиях интенсивной предварительной ионизации (фото 4). При дальнейшем увеличении прикладываемого напряженияразница в яркости свечения приэлектродных областей и канала увеличивается.

а) б)

1  2  3  4    1  2  3  4 Рис. 1. Интегральные во времени фотографии разряда: а) без предварительной ионизации; б) с предварительной ионизацией (d=3 мм, p=3 атм).

В условиях же пробоя ионизованного газа катодные пятна регулярно возникают в центре электродов. Плотность тока в формирующемся канале спустя 30-40 нс после начала резкого роста тока достигает значения ~106А/см2. прорастания канала от катодного пятна зависит от плотности тока(рис.2).Экспериментальные данные находятся в качественном согласии с этой моделью формирования искрового канала. Так, например, при W=25% образуется одиночный узкий канал 2r=0,1 мм, скорость его прорастания составляет ~107 см/с, а при W=100% формируется широкий канал диаметром 0,4 мм, скорость прорастания которого на начальном этапе составляет ~106 см/с.

Рис. 2. Зависимость скорости прорастания искрового от плотности тока.

Скорость прорастания канала определяется выражением

,

где в – коэффициент, характеризующий долю энергии, расходуемой на ионизацию газа, ?i - потенциал ионизации, кее и кеа – константа электрон-электронных и электрон-атомных взаимодействий, nа – плотность нейтральных атомов, rу – размер области усиленного поля, е – заряд электрона.

В условиях эксперимента (W=25%) rу ~10-2 см, Ест ~104 В/см, кеа ~107 см-3/с, получим ?к ~107 см/с.

На основании вышеизложенного можно заключить, что формирование канала начинается с флуктуации плотности в плазме: в объемном разряде – это катодное пятно. Прорастание канала с этих областей объясняется искажением поля в промежутке. Для этого необходимо чтобы плотность заряженных частиц (проводимость) инициирующей области была значительно больше, чем в столбе разряда или стримера.

По времени появление областей высокой проводимости совпадает с началом резкого роста тока и спада напряжения на промежутке, т. е. энерговклад в разряд резко увеличивается с началом формирования канала. Наблюдаемые расхождения в скоростях прорастания объясняются различием в геометрии инициирующей области. Более того, создавая условия для возникновения множества катодных пятен в объемном разряде, удается затормозить процесс формирования искрового канала.

Как уже было отмечено, с ростом пробойного напряжения число катодных пятен увеличивается, и средняя плотность тока оказывается меньшей, чем в случае одиночного канала. Развитие разряда затормаживается на промежуточной стадии – диффузные каналы с яркими катодными пятнами (рис. 1). Диффузные каналы, сливаясь, образуют однородный столб плазмы высокой проводимости (сильноточный диффузный разряд). Плотность тока в сильноточном диффузном разряде составляет ~103 А/см2, т. е. намного меньше, чем в искровом канале и слабо зависит от прикладываемого поля (таблица 1). С ростом прикладываемого поля диаметр столба разряда увеличивается, что возможно связано с формой электродов (применялись полусферические электроды с R>>d, R – радиус сферы, d – расстояние разрядного промежутка).

Таблица 1.

E0, кВ/см	12	14	16	18	20	23
j, 103 A/см2	2	2,7	3,1	3,5	3,8	4,2

В таблице приведены измеренные значения средней плотности тока плазмы СДР в аргоне к моменту времени t=150 нс от начала резкого роста тока. Такая форма разряда наблюдается в смесях инертных и электроотрицательных газов [1-2].

Стационарное значение напряжения горения разряда устанавливается через 100 нс. Проводимость плазмы разряда 30-40 Ом-1·см-1, соответствует температуре электронов Тe=10000-15000 К максимальный энерговклад в СДР составляет 10 Дж/см3·атм.

Плотность электронов в плазме слаботочного разряда оцененная по полуширинам линий, атомов аргона 427,2 нм и 425,9 нм, табулированных в [5], оказалось равной ~1017 (??0,5~0,1 нм). Это значение близко к равновесному значению концентрации при Те=10000 К.

Начиная с некоторого критического напряжения (зависящего от давления), переход в СДР не наблюдается при вкладываемой энергии ? 1 Дж. Более того, варьируя пробойным напряжением, удается в определенных пределах регулировать параметры плазмы СДР. Удельный энерговклад в сильноточный диффузный разряд составляет ~107 Вт/см3. Эти особенности в сочетании с малой индуктивностью (по сравнению с искровым каналом) сильноточного диффузного разряда дают возможность создания импульсных тиратронов и коммутаторов тока, работающих в режимах горения СДР.

Литература

Сильноточный диффузный разряд в аргоне при атмосферном давлении. //Матер. Всероссийской конференции по физической электронике. Махачкала. 1999. С.127-128. , , и др. Объемные разряды, применяемые для накачки эксимерных лазеров. /В кн. Лазерные системы. Новосибирск. Наука. 1979. С.14-26. V. S. Kurbanismailov, O. A. Omarov, M. A. Arslanbekov, M. Kh. Gadjiev, G. B. Ragimkhanov, AliJ. G. Al-Shatravi. Expansion of the Cathode Spot and Generation of Shock Waves in the Plasma of a Volume Discharge in Atmospheric-Pressure Helium. //Plasma Physics Reports. 2012.Vol. 38, №1. P. 22–28. , , Аль - Шатрави Али Дж. Г., , Процессы расширения катодного пятна и формирование ударных волн в плазме объемного разряда в гелии атмосферного давления. //Физика плазмы. 2011. Т.37, №12. С.1-8. пектроскопия плазмы. М: Атомиздат, 1969. 357с.