Диссертация (Природа распространения фронта ионизации на начальных стадиях искрового разряда в инертных газах высокого давления при наличии сильного магнитного поля), страница 2

Во втором случае воздействие магнитного поля на развитие пробоясводитсяквозникновениюсилы,препятствующейпоперечному(радиальному) развитию плазмы. Последнее характерно для взрывныхпроцессов, когда скорость расширения плазменной области поперекмагнитного поля больше скорости проникновения поля в плазму.В настоящей работе экспериментально с применением современныхтехнических средств исследовались все стадии пробоя, причем основноевниманиебылоуделенонаименееизученной,ноиграющейосновополагающую роль для создания теории пробоя газов, начальнойстадии искры. Экспериментально определялись следующие параметрыпробоя (как при наличии внешних магнитных полей, так и без них):характерные времена и скорости развития процессов в разрядномпромежутке, энерговклад, температура и концентрация электронов.

Этопотребовало создания современных экспериментальных установок дляснятия с временным разрешением в несколько наносекунд электрических,оптических и спектральных характеристик пробоя газов. Следует особоотметить, что в работе, рассмотрена проблема получения параметров разрядав газах высокого давления в сильных критических магнитных полях.7Цель и задача диссертационной работы. Целью диссертационнойработыявляетсяэкспериментальноеисследованиевлияниясильноговнешнего продольного магнитного поля на начальную стадию искры,котораяявляетсянаименееизученнойстадией,ноиграющейосновополагающую роль для создания теории пробоя газов высокогодавления. А так же для построения источника когерентного излучения сиспользованием лавинно-плазменных стадий разряда.Задачи исследования:1.

Исследование влияния сильного внешнего продольного магнитногополя на временные характеристики (время формирования, время резкогоспада напряжения на разрядном промежутке и т.д.) импульсного пробояинертных газов (He, Ar) высокого давления.2. Определение минимальных энергозатрат во внешнем магнитном поле,необходимых для образования плазменных стримеров на начальных стадияхимпульсного пробоя инертных газов атмосферного давления (от 1 до 3 атм).3.

Изучить излучательные характеристики прираспространенииплазменного стримера, как в непрерывном, так и в пульсирующем режиме всильном магнитном поле.4. Изучение влияния внешнего продольного магнитного поля до 250 кЭна величину скорости волновых ионизационных процессов в результатерекомбинационного фотоионизирующего излучения из плазмы стримеров,так и на динамику развития волн ионизации на начальных стадияхперенапряженного пробоя газов атмосферного давления.5.

С применением современной техники эксперимента, позволяющей сразрешением10нсрегистрироватьэлектрические,оптическиеиспектральные характеристики решить задачу получения достаточно полногонабора экспериментальных данных соответствующих лавинно-плазменностримерным стадиям пробоя газов, таких как: энерговклад, температура,концентрация электронов, характерные времена и скорости развитияпроцессов в разрядном промежутке.8Научная новизна работы заключается в следующем:1. Экспериментально полученное уменьшение времени развития разрядана различных стадиях, с определением минимальных энергозатрат дляобразования плазменных стримеров во внешнем продольном магнитномполе, позволяет осуществлять управление временными характеристикамиразряда в газах высокого давления внешними критическими магнитнымиполями.2.

Методами высокоскоростной электронно-оптической хронографии испектральных измерений в инертных газах (He, Ar) исследовано свечение,сопровождающее пробой газа (в диапазоне давлений от 1 до 3 атм) поддействием импульсов электрического и магнитного полей. Показано, чтоспектральный состав излучения искры зависит от напряженности магнитногополя. Уменьшение в магнитном поле скорости поперечного переноса фронтаионизацииобуславливаетизменениераспределенияэнергии,и,соответственно, изменение спектрального состава излучения плазмы.3.

В диапазоне напряжений от статистического пробивного до сотнипроцентовперенапряжений(W=)впервыеполученыкомплексные экспериментальные результаты, позволяющие определитьмеханизм влияния внешнего продольного магнитного поля на временные,энергетическиеиоптическиехарактеристикиначальныхстадийформирования пробоя.Научная и практическая значимость работы.Результаты измерения времени формирования пробоя, времена искорости коммутации во внешних электрических и магнитных полях могутбыть использованы при создании быстродействующих коммутаторов тока.Экспериментально получен массив данных для широкого диапазонадавлений и степени перенапряжения на разрядном газовом промежутке, какво внешнем сильном магнитном поле, так и без него, который может бытьиспользованв качествесправочногоприконструированиигазовыхразрядников высокого давления, а также улучшения характеристик9различных устройств, работа которых связана с использованием начальныхстадий пробоя газовых промежутков.Использование когерентного излучения при распространении начальныхлавинно-плазменно-стримерных стадий в сильных магнитных полях дляпостроения источников в видимой и ультрафиолетовой частях спектра.На защиту выносятся следующие основные положения:1.

Экспериментальное обоснование физических представлений о новомплазменном механизме электрического пробоя газов высокого давления вовнешнем продольном магнитном поле, базирующийся на представлении обобразовании на начальных стадиях развития разряда плазмы с высокойконцентрацией заряженных частиц, что и определяет характер протеканиядальнейших этапов развития пробоя до его завершения.2. Комплекс экспериментальных результатов, таких как: уменьшениевремени формирования и резкого спада напряжения на разрядномпромежутке; определение минимальных энергозатрат для образованияплазменных стримеров, показывающих принципиальную возможностьуправления временными характеристиками электрического пробоя газоввысокого давления во внешних сильных продольных магнитных полях.3.Результатыэкспериментальныхисследованийособенностейизлучения разрядного промежутка начальных стадий в инертных газах (He,Ar), сопровождающие пробой газа под действием импульсов электрическогои магнитного полей, полученные методами высокоскоростной электроннооптической хронографии и спектральных измерений.4.

Результатыопределенияскоростейволновыхионизационныхпроцессов на начальных стадиях пробоя газов высокого давления во внешнихэлектрических и магнитных полях.5. Установлено влияние внешнего продольного магнитного поля снапряженностью в диапазоне от 0 до 250 кЭ на динамику развития волнионизации на начальных стадиях формирования пробоя в диапазоне10напряжений электрического поля от статистического пробивного до сотнипроцентов перенапряжений (W=).Личный вклад автора.Автором, внесен определяющий вклад в постановку, проведение ианализа основных результатов, вошедших в диссертацию.Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующихконференциях:IV,V,VI,VIIВсероссийскихнаучно-практическихконференциях «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантовРоссийских вузов» (Томск, 2011г., 2012г., 2013г., 2014г.); VI Международныймолодежный форум «Неделя дружбы студенческой молодежи» (Дербент,ДГПУ, 2014); VII, VIII Всероссийских конференциях по физическойэлектронике(Махачкала,2012г.,2014г.);XLМеждународной(Звенигородская) конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород,2013г.); Всероссийской конференции «Современные проблемы физикиплазмы»(Махачкала,2013г.);Всероссийскойконференции«Физиканизкотемпературной плазмы» (Казань, 2014г.); XX, XXI Всероссийскиенаучные конференции студентов-физиков и молодых учѐных (Ижевск,2014г., 2015г.); Актуальные вопросы в научной работе и образовательнойдеятельности(Тамбов-Международной2015);научно-практическойконференции (Стерлитамак, 2015 г).Публикации.публикациях,вОсновныетомчислерезультаты6статейработыизложеныопубликовановв27изданиях,рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.В этих работах представлены данные исследований, выполненныеавтором самостоятельно и совместно с коллегами.Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит извведения, четырех глав и заключения; содержит 158 страниц, включая 54рисунков и 12 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 128наименований.11ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность диссертационной работы,сформулированы основные цели и задачи исследования, а также основныеположения, выносимые на защиту, показана научная новизна полученныхрезультатов.

Приводится краткое содержание диссертации.Впервойглавесделананалическийлитературныйобзорэкспериментальных и теоретических работ, посвященных характеристикамначальныхстадийгазовогоразряда,покоторымделаетсяанализсуществующих схем газового разряда.В частности, дан обзор классических представлений о развитииначальных стадий электрического пробоя газов высокого давления.Обсуждаются классические механизмы зарождения лавин ионизации, ихразвитие и переход в плазменное состояние, а затем в плазменный стример.Первой количественной теорией газового разряда являлась теориялавинного размножения Таунсенда, выдвинутая в начале этого столетия [14].Как показали многие авторы, эта теория подтверждается для газового разрядапри пониженных давлениях вплоть до рdТорр см. Согласно этойтеории времена формирования газового разряда должны быть порядка 10 -4 10-5 с.

Однако, экспериментально были получены времена формированияпорядка 10-7-10-8 с для давлений близких к атмосферному. Для этого случаятеорияТаунсендабылавидоизмененаучетомвлиянияполяпространственного заряда.Увеличением первого ионизационного коэффициента Таунсендавискажаемом пространственным зарядом поле объясняли некоторые авторымалые времена запаздывания газового разряда. Теоретические расчетывлияния пространственного заряда на временные характеристики разрядабыли произведены Капцовым [15].Здесь же дан краткий обзор существующих представлений о ролифотоионизации и фоторекомбинации в распространении плазменных лавинвплоть до перекрытия разрядного канала.12Определенное место в главе 1 отводится результатам исследованияпространственно-временной картины формирования и развития газовогоразряда, полученной при помощи электронно-оптического преобразователя[10].Далее анализируются расчеты времен формирования пробоя газов,сделанные различными исследователями.По результатам исследования времени запаздывания пробоя газов былавыдвинута следующая схема развития разряда [6].