Диссертация (Природа распространения фронта ионизации на начальных стадиях искрового разряда в инертных газах высокого давления при наличии сильного магнитного поля)

1МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТКАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИНа правах рукописиАль-Харети Фаваз Мохаммед АлиПРИРОДА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ФРОНТА ИОНИЗАЦИИНА НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЯХ ИСКРОВОГО РАЗРЯДА ВИНЕРТНЫХ ГАЗАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИНАЛИЧИИ СИЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯСпециальность: 01.04.08. – физика плазмыДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукНаучный руководитель:д. ф.-м.н., проф.

Омаров О.А.МАХАЧКАЛА 20162ОглавлениеВВЕДЕНИЕ................................................................................................................. 3ГЛАВА I. ФОРМИРОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОГО ПРОБОЯ ГАЗОВ ............ 31§1.1. Лавины ионизации ........................................................................................

31§1.2. Современные представления по пробою газов высокого давления.Развитие плазменных стримеров ................................................................ 36ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫИССЛЕДОВАНИЙ ....................................................................................... 69§ 2.1.

Электрическая схема генератора импульсных напряжений ............... 70§ 2.2. Методика исследования электрических характеристик разряда ....... 73§ 2.3.Получение и измерение импульсных магнитных полей. ...................... 76§ 2.4. Регистрация пространственно-временного развития разряда ............ 85§ 2.5.

Регистрация спектров излучения .............................................................. 88ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГОИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................................ 93§3.1. Исследование времени формирования, энергии и мощностиначальных стадий разряда ............................................................................

93§ 3.2. Оптические характеристики начальных стадий пробоя газов ......... 107§3.3. Спектральные характеристики искрового разряда ............................. 113ГЛАВА IV. МОДЕЛЬ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА ВГАЗАХ ........................................................................................................... 128§4.1.

Лавинно-плазменные переходы и влияние на них внешнихмагнитных полей........................................................................................... 128§4.2. Плазменный механизм пробоя газов высокого давления ................... 137ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 142ЛИТЕРАТУРА ....................................................................................................... 1443ВВЕДЕНИЕИнтерес к экспериментальному и теоретическому исследованиюразрядов в плотных газах связан с их применением при построении мощныхгазовых лазеров, плазменных генераторов, получении электронных пучков идр.

технических приложениях.Анализ работ последних лет показал, что пробой газового промежуткасложнее, чем это соответствует представлениям стримерной и лавиннойтеорий. Результаты экспериментальных и теоретических исследований поэлектрическому пробою газов при давлениях, близких к атмосферномуразделяют различные формы пробоя газа на несколько видов, выделяясоответствующие каждому виду критерии экспериментальной проверки.Одними из основных параметров разряда в газах являются: времяформирования, энергия, выделяемая на различных стадиях, интегральнаяэнергия излучения, концентрация и температура электронов.Сравнивая экспериментальные данные с теоретическими, для схем сТаунсендовским раскачиванием и для схем стримерных можно заключить,что на ранних стадиях пробоя теоретические схемы с раскачиваниемнаходятся в полном согласии с экспериментальным материалом.

Стримерныеже схемы при малых превышениях статического пробивного напряжения неслишком длинных промежутков слабой неоднородности поля находятся впротиворечии со многими экспериментальными данными. Генерация лавинприводит к образованию пространственного объемного заряда, который вдальнейшем создает контрагированный канал высокоионизованной плазмы[1-5].По результатам измерений времен запаздывания пробоя сильноперенапряженных коротких воздушных промежутков в однородном поле [6]можно заключить, что схема однолавинного пробоя [7-9] в данных условияхне имеет места. Выдвинута теоретическая схема развития разряда,основанная на лавинном размножении и переходе группы лавин в стримериз-за объединения положительного пространственного заряда в их головках4со вторичными механизмами, связанными с фотононизацией на катоде засчет излучения, образуемого при ударе электронов первой и последующихгрупп лавин об анод.Почти все теоретические схемы, в том числе и плазменный механизмразвития разряда, были выдвинуты по результатам исследований, восновном, времени формирования, оптических картин и спектров излучения.Весьма важными для развития теории газового разряда являютсяисследования излучения плазмы разряда, особенно исследования оптическойкартины и их спектров, развернутые в пространстве и во времени содновременным сопоставлением этой картины с осциллографическимиисследованиями напряжения и тока на пробиваемом промежутке.Результаты исследований с помощью оптической лупы времени поимпульсному пробою воздуха в однородном поле позволили выдвинуть своипредположения относительно развития газового разряда [10], согласнокоторым в предпробойной стадии разряда зафиксированы светящиеся нити,пронизывающие газоразрядный промежуток.

Со временем возрастаетдиаметр и соответственно яркость нитей. Затем они обнаружили, что вмомент, соответствующий на осциллограмме спаду напряжения, у катодавозникает яркосветящаяся точка и свечение от нее движется со скоростьюпорядка 108 см/с в сторону анода.

Эти исследования позволили выдвинутьлавинно-цепную теорию развития газового разряда.Вработах[3,11-13]экспериментальнообосновываетсяновоенаправление в физике электрического пробоя газов базирующийся напредставлении об образовании на начальных стадиях пробоя газов плазмы свысокой концентрацией заряженных частиц, что и определяет характерпротекания дальнейших этапов развития пробоя до его завершения.Пробой газов высокого давления можно разделить на три фазы:лавинно-плазменные начальные стадии; формирование и развитие искровогоканала; переход к квазистационарной дуге и еѐ горение. Все онивзаимосвязаны между собой.

Но вместе с тем они сильно отличаются по5таким параметрам, как время развития, динамика и характер излучения(спектральный состав и интенсивность), концентрация и температуразаряженных частиц и т.п. Начальные фазы сильноточных искровых разрядовимеют длительность от нескольких десятков до сотен наносекунд ихарактеризуютсяотносительнослабымсвечениеминерегулярнойструктурой, что затрудняет их диагностику. Указанные выше трудностидлительное время не позволяли из-за несовершенства техники физическогоэксперимента проведение глубокого изучения начальных стадиях пробоя,что, в свою очередь, тормозило создание единой теории пробоя.С другой стороны, газоразрядная плазма обладает ярко выраженнымианизотропными свойствами по отношению к магнитному полю.

Наложениевнешнего критического магнитного поля позволяет выяснить физикуразвития процессов практически для всех стадий пробоя.Исследуя влияние внешнего магнитного поля на время формирования,на время резкого спада напряжения, на пробивное напряжение газовогоразряда можно получить весьма ценные сведения для построения теориипробоя газов. В работе исследованы пробой гелия, аргона в магнитных поляхнапряженностьюдо250кЭ,электротехническими,оптическимииспектральными методами.Магнитное поле влияет на параметры газового разряда, только начиная сопределеннойнапряженностиНкр,называемойнапряженность определяется исходя из неравенстварадиус Ларморовой орбиты,критической.гдеЭта–- длина свободного пробега электронов.Изучение искрового разряда во внешнем критическом магнитном полепозволяет выяснить физику развития элементарных процессов на всехстадиях пробоя газов.ДляразличныхсоотношениямдавленийгазовНкрбудетразличносогласно6где m - масса электрона, v - скорость электронов, направленная под углом ксиловым линиям магнитного поля, это скорость порядка дрейфовой, е - зарядэлектрона.В связи с этим представляет интерес исследование влияния магнитногополя на развитие разряда в двух предельных случаях: 1) при проникновенииполя, когда градиент магнитного поля на границе плазма - нейтральный газотсутствует; 2) когда магнитное поле вытесняется в результате расширенияискрового канала и градиент магнитного давления становится соизмеримымс градиентом газокинетического давления.В первом случае влияние магнитного поля на развитие разрядазаключается в ограничении коэффициентов поперечного переноса частиц иэнергии.