ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА В ГЕЛИИ

ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА В ГЕЛИИ
ПРИ БОЛЬШИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯХ
Али Рафид Аббас Али
Aль Джаафари Фирас Мохамед
Дагестанскийгосударственныйуниверситет
Курбанисмаилов Вали Сулейманович, д.ф.-м.н
В инертных газах и в их смесях с небольшими добавками галогеносодержащих
соединений при энерговкладах свыше 0,1 Дж/см3 наблюдается сильноточный диффузный
разряд (СДР) [1-3]. При этом развитие объемного разряда затормаживается на
промежуточной стадии образования диффузных каналов, которые, сливаясь друг с
другом, образуют однородный столб разряда высокой проводимости. Поэтому
наибольший интерес представляют экспериментальные результаты прямых наблюдений
динамики контракции разряда с пространственным и временным разрешением.
Целью работы является анализ наблюдаемых картин развития неустойчивостей
объемного разряда (ОР) в Не и изучение характера его перехода в СДР.
Экспериментальная установка описана в [4-5]. Исследуемый разряд создавался
между электродами диаметром 4 см, удаленных друг от друга на расстояние d = 1 см при
атмосферном давлении. Для создания начальной концентрации первичных электронов
(no108 cм-3) использовался источник УФ излучения. Пространственно-временное
развитие разряда снималось фотоэлектронным регистратором ФЭР2-1. Регистрации
разрядного тока и напряжения на плазменном канале осуществлялось с применением
цифровых осциллографов типа Актаком и Tektronix. Экспериментально исследовано
покадровые картины формирования ОР в гелии и интегральные картины свечения
промежутка в диапазоне напряжений 3-20 кВ (рис.1).
Анализ результатов покадровых картин формирования ОР в Не и интегральных
картин свечения промежутка (снятых при различных значениях прикладываемых полей и
их сопоставление 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
с характерным размером ~-1 ( - 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 [1].
Таким образом, разряд переходит в следующую фазу - фазу объемного горения. В
результате уменьшается скорость ионизационных процессов в столбе разряда и
устанавливается состояние, когда процессы рождения заряженных частиц
компенсируются процессами их гибели. На этой стадии основные характеристики разряда
остаются постоянными [1,5].
В газе - Не при атмосферном давлении при малых внешних полях (Е0<Екр=6 кВ/см)
горит однородный объемный разряд (рис.1, фото 1), а развитие незавершенных
анодонаправленных каналов, привязанных к катодным пятнам с высокой проводимостью
(плазменных каналов) начиналось при плотности тока ~ 40 А/см2 (рис.1, фото 3-4). В
межэлектродном пространстве сохранялась хорошая однородность плазмы разряда.
Увеличение плотности тока до 60 А/см2 (рис. 1, фото 5) ведет к дальнейшему
продвижению незавершенных анодонаправленных каналов, появлению анодных пятен, а
также незавершенных катодонаправленных каналов. В конечном итоге ОР переходит в
яркий искровой канал (рис. 1, фото 6).
1(3 кВ)
Не, р=1 атм, d = 1см
2(7 кВ)
3(10 кВ)
4(11 кВ)
5(12 кВ)
6(13 кВ)
Рис.1. Интегральные картины свечения промежутка.
Характерно, что для напряжений перехода ОР в Не в СДР ток разряда
апериодически затухает, что возможно обусловлено еще достаточно высоким сопротивлением диффузного канала. Авторы работы [6] приводят достаточно низкие значения
сопротивления в СДР, характерные для искровых каналов. И сопротивление СДР
уменьшается со временем, а фаза СДР характеризуется спитцеровской проводимостью. В
этом случае ток разряда должен перейти в колебательный режим.
Литературные данные и наши исследования показывают, что с развитием
неустойчивости катодного слоя происходят многочисленные взрывы на поверхности
катода. В результате в катодной области появляются пары материала катода, ионизация
которых способствуют повышению плотности тока при снижении величины катодного
падения потенциала [7].
Рассмотрим, в отличие от модели, предложенной в работах [2,3], процесс
формирования СДР. В Не за счет уменьшения коэффициента ударной ионизации и
установления постоянного значения напряжения горения ОР, неустойчивость протекания
тока не должна была локализоваться и привести к появлению диффузного канала на фоне
однородного объемного разряда. Поскольку экспериментально диффузный канал в Не
регистрируется, то природа его возникновения еще остается открытой. Возможно,
образование новых диффузных каналов в Не связано с тем, что одиночный диффузный
канал не в состоянии дальше развиваться и перейти в искровой канал по выше указанным
причинам, а также не может пропустить весь разрядный ток при больших
прикладываемых внешних полях. Так как энергия продолжается вводить в разрядный
объем, то это приводит к возникновению новых диффузных каналов о концентрацией
электронов выше, чем в объемном разряде.
Распространение в промежутке последовательно перекрывающихся диффузных
каналов при практически постоянном напряжении, возможно, связано, как и для газа SF6 с
существованием механизмов ограничения плотности тока в Не, затрудняющий протекание
всей запасенной в конденсаторе энергии через один диффузный канал и приводящих к
увеличению объема, занимаемого разрядом, в процессе роста вводимой в плазму энергии.
Анализ результатов ЭОП-й съемки показывают:
1. Если катодное пятно возникло на фоне однородного горения разряда, то искровой
канал образуется в два этапа. Вначале в промежутке формируется диффузный канал,
привязанный к катодному пятну. На втором этапе со стороны катода вдоль диффузного
канала прорастает высокопроводящий искровой канал.
2. При большом значении накопительной емкости и полях Е0 > 12 кВ/см ОР в Не
преобразуется в СДР с плотностью тока порядка 102 - 103 А/см2. По измеренному контуру
линии НеII λ=468,6 нм определена концентрация электронов на оси разрядного
промежутка (~1016 см-3) в СДР. Длительность СДР составляет несколько микро¬секунд и
70% запасенной энергии вкладывается в фазу СДР.
3. С развитием неустойчивости катодного слоя происходит многочисленные взрывы
на поверхности катода. В результате в катодной области появляются пары материала
катода, ионизация которых способствуют повышению плотности тока при снижении
величины катодного падения потенциала. Благодаря большому количеству микровзрывов
равномерно распределенных на катоде, не происходит формирование единичного
контрагированного пятна, на которое замыкался бы полный ток разряда.
4. Предложена качественная модель формирования СДР в Не. Согласно которой
образование диффузных каналов обусловлено за счет электронов из прикатодного слоя,
вышедших в моменты максимальной напряженности в слое и их ускорение в поле столба
до энергий, достаточной для возбуждения атомов. А распространение в промежутке
последовательно перекрывающихся диффузных каналов при практически постоянном
напряжении, возможно, обусловлено с механизмом ограничения плотности тока через
один диффузный канал в процессе роста вводимой в плазму энергии.
Список публикаций
1. Курбанисмаилов В.С., Омаров О.А. К вопросу о характере контрагирования
объемного разряда в гелии атмосферного давления. //ТВТ.1995. Т33. №3. С.346350.
2. Козырев А.В., Королев Ю.Д., Месяц Г.А., Новоселов Ю.И., Шемякин И.А.
Контракция объемного разряда, инициируемого ультрафиолетовым излучением в
смеси Ar: SF6. //ЖТФ.1981. T.5I. Вып.9. С.1817-1822.
3. Бычков Ю.И., Королев Ю.Д., Месяц Г.А., и др. Объемные раз¬ряды, применяемые
для накачки эксимерных лазеров. В кн.: Лазерные системы.- Новосибирск: Наука,
1980. С.14 - 29.
4. Курбанисмаилов В.С., Омаров О.А., Ашурбеков Н.А., Рагимханов Г.Б., Гаджиев
М.Х. Формирование и развитие искрового канала в инертных газах атмосферного
давления. //Известия вузов. Северо-Кавказ. регион. Естеств. науки. 2006. №4.С.4549.
5. Курбанисмаилов В.С., Омаров О.А., Ашурбеков Н.А. Самостоятельный объемный
разряд в гелии атмосферного давления. //Прикладная физика. 2003. №4. С.20-29.
6. Колчин К.И., Прозоров Е.Ф., Ульянов К.Н., и др. Сильноточ¬ный объемный разряд
со спитцеровской проводимостью. //Y Все¬союзная конференция по физике
газового разряда: Тез. докл. Омск, 1990. Ч.1. С.113-114.
7. Курбанисмаилов В.С., Омаров О.А., Ашурбеков Н.А., Рагимханов Г.Б., Гаджиев
М.Х. Импульсный разряд в парогазовых смесях гелия высокого давления.
//Прикладная физика. 2004. №3. С.41-46.