Диссертация (Природа распространения фронта ионизации на начальных стадиях искрового разряда в инертных газах высокого давления при наличии сильного магнитного поля), страница 3

Электроны стартуют откатода к аноду. Если первая группа лавин электронов не образует объемногокритическогозаряда, тостартуетвтораягруппа лавин,вызваннаяэлектронами, вышедшими из катода под действием фотонов, порожденныхпервой группой лавин. Большую роль играет количество стартующихэлектронов от катода (количество электронов в 103-104 приводит коднолавинному пробою). По достижении лавинами критического размерапроисходят процессы, приводящие к образованию высокопроводящегоканала. Причем длительность времени образования канала на порядокменьше времени развития лавины до критических размеров.Далее анализируются расчеты времен формирования пробоя газов,сделанныеразличнымиисследователями.Таквремяформирования,рассчитанное Ретером [9] из условия развития лавины электронов докритических размеров и последующего ее перехода в стример, совпадает сизмеренными значениями для тех же длин промежутков при атмосферномдавлении.

При этом Ретер пренебрегал временем развития стримера.Время формирования пробоя газов по более точным вычислениямФлетчера [ 1 6 ] имеет вид:, где N К Р - число электронов в головкелавины, соответствующее критическому заряду,- первый ионизационныйкоэффициент Таунсенда Vd - дрейфовая скорость электронов по направлениюполя.Времена формирования пробоя перенапряженных газовык промежутковпри атмосферном давлении настолько малы, что здесь применима теория13стримеров, разработанная Лебом, Миком и Ретером [7-9]. Пробой короткихгазоразрядных промежутков при давлениях порядка атмосферного инебольших перенапряжениях объясняется смешанной теорией разряда, длякоторой характерно лавинное размножение с последующим их переходом встример [10].В первой главе также рассматриваются работы по исследованию пробоягазов в магнитных полях. В этом направлении до последнего времени восновном проводились исследования при пониженных давлениях газа вслабых магнитных полях.Исследования газового разряда в продольных магнитных поляхТаунсенда [17] обнаружили влияние внешнего магнитного поля на первыйионизационныйкоэффициент(какрезультатизмененияпотенциалазажигания газового разряда в магнитном поле).Показано, что исследованию электрического пробоя газов при давленияхпорядка атмосферного во внешних критических магнитных полях до сеговремени уделялось мало внимания, хотя эти иследования являются весьмаважным для выяснения механизма формирования газового разряда.В основном, изучение влияния магнитного поля на газовый разрядполучило следующие направления:1.

удержание плазмы;2. разряд низкого давления с раскаленным катодом;3. разряд низкого давления с холодным катодом;4. пробой газов в магнитном поле при давлениях близких катмосферному.Как было показано, магнитное поле влияет на параметры газовогоразряда только начиная с определенной напряженности Нкр, называемойкритической. Это напряженность определяется исходя из неравенствагде– радиус Ларморовой орбиты,- длина свободного пробега.Для различных давлений газов Нкр. будет различна согласно уравнению:14где m - масса электрона, v - скорость электронов, направленная под углом ксиловым линиям магнитного поля, это скорость порядка дрейфовой, е - зарядэлектрона.

При наложении критического и выше критического магнитныхполей будет возрастать число столкновений [18] на единице длины, чтоэквивалентно повышению плотности. Это приводит к изменению первогоионизационного коэффициента, а значит, и времени формирования пробоягазов.Влияние сильного магнитного поля при давлении порядка атмосферногона пробой газов рассматривается в ряде работ [3,11]. В них рассматриваютсявременныехарактеристикигазовогоразряда.Изменениевременизапаздывания пробоя газов связывается с динамикой продвижения стримерав магнитном поле.Анализ научно-периодической литературы позволил определить объекти цель исследования.Вторая глава посвящена описанию экспериментальных установок,методик исследования пробоя газов в сильных магнитных полях и анализупогрешностей измерений.

Экспериментальная установка собрана из двухнезависимых электрических схем, работающих синхронно при помощиблока синхронизации (ГИН) – генератор импульсных напряжений игенератор импульсных магнитных полей (ГИМП) [19,20].Исследованиеэкспериментальныхвелоськомплекснометодов:методасиспользованиемисследованияразличныхэлектрическиххарактеристик, регистрации пространственно-временного развития свеченияс помощью ЭОП (ФЭР-2) и электрооптического затвора (ЭОЗ), регистрацииспектров излучения в видимой и ближней ультрафиолетовой области спространственным и временным разрешением в несколько наносекунд.Характеристики импульсного разряда (геометрические размеры, силатока, интенсивность излучения и др.) за короткий временной интервал15изменяются на несколько порядков.

Была разработана Экспериментальнаяустановка, удовлетворяющая следующим требованиям:1. Чтобы времена разрешения измеряемых параметров – электрическихбыли не хуже чем 10 нс, картин развития свечения - не хуже чем 10 нс испектральных- не хуже чем 40 нс;2. Обеспечение возможности использования пробойных импульсовнапряжения с управляемым крутым передним фронтом (менее 10 нс) иамплитудой до 20 Кв;3. Обеспечение возможности формирования в разрядном интервале,размером 1 см импульсных магнитных полей напряженностью до 250 кЭ спродолжительностью более 10-4 с;4. Обеспечение за счет предварительной фотоионизации, созданияконцентрации затравочных электронов с плотностью ~ 107 - 108 см-3.Для достижения вышеперечисленныхб были изготовлены две разрядныекамеры: одна - для исследования различных стадий импульсных разрядов воднородных электрических полях, и вторая с помощью которой изучалосьразвитие и распространение искрового канала во внешнем продольноммагнитном поле.Расстояние между алюминиевыми электродами составляло величину d =1 см, а диаметр этих электродов - 4 см (в отсутствие магнитного поля).

Вэксперименте применялись электроды двух типов – плоские и сферические срадиусом кривизны R30 см. Межэлектродное расстояние пробивалось приподаче импульса напряжения, длительность переднего фронта которогосоставляла ~ 10 нс, спустя 200-300 нс после прекращения его облучениявнешним ионизатором. Пробойное напряжение меняется от статическогопробойного значения до 20 кВ.Разрядный промежуток облучался дополнительным искровым разрядомчерез сетчатый анод либо расположением УФ источника предионизации втаком же газе - на расстоянии 5-7 см от оси основного разрядногопромежутка. В этом положении подсвечивающая искра дает возможность16сформировать равную по оси концентрацию затравочных (начальных)электронов в одном случае, и в другом - одинаковую концентрацию посечению.При формировании УФ ионизации использовалась система на тиратронетипа ТГИ1-400/16.

Подсвет, или УФ излучение разряда, с энергией 0,3-0,4Дж, создает концентрацию затравочных электронов в Ar n0 107 см-3, а притаких же условиях в Не – n0 ~ 108 см-3. Начальная концентрация электроновпредионизации,котораясоздаетсявнешнейподсветкой(внешнимионизатором), рассчитывалась по измеренному току в разрядной цепи припостоянном напряжении на промежутке (100-300 В). Для улучшенияотношения сигнал/шум и согласования с измерительной цепью применялсяэмиттерный повторитель на сверхвысокочастотном транзисторе.

Среднююплотность тока и концентрацию электронов рассчитывали по известномусечению разряда и измеренному току несамостоятельного разряда (фототок).Одним из наиболее важных условий согласия измеряемого тока иплотностифотоэлектроновявляетсяотсутствиеионизационногоразмножения.Продолжительность УФ подсветки разрядного промежутка составлялавеличину ≈ 600 нс межэлектродное расстояние освещенного промежутка иразрядника подбиралось так, чтобы спустя 200 - 300 нс после внешнейпредионизации, импульс пробоя подавался на исследуемый промежуток.Внешнеепродольноемагнитноеполеоказываетвлияниенахарактеристики пробоя двумя способами. Оно действует на радиальноедвижение заряженных частиц, что дает возможность отобрать процессы,ответственные за механизм формирования пробоя. Второй способ связан - свлиянием магнитного поля на скорость прорастания искрового канала, наспектральные характеристики и т.д.

По этой причине исследовался разряд винертных газах (He, Ar) в импульсных продольных магнитных полях.Внешнее магнитное поле создавалось за счет разряда батареиконденсаторов через соленоид, внутри которого и находился изучаемый17промежуток, Параметры системы емкостной накопитель – соленоидподбирались по требованиям обеспечения квазистационарности внешнегомагнитного поля, т.е., чтобы период изменения внешнего продольногомагнитного поля было намного больше длительности исследуемых стадийразряда.Соленоид представлял из себя конструкцию из бериллиевой бронзыБр•Б2 цельнометаллическая, с количеством витков 33, индуктивностьюLc=5∙10-6 Гн и внутренним диаметром 0,8 см.

Через боковые отверстияпроводилась регистрация излучения разряда проводилась в центральномвитке (толщиной 1 см). Толщина межвитковой текстолитовой изоляцииимела величину 0,15 –0,2 см, а толщина витков - 0,2 см. Селеноид всобранном виде располагался в стальном бандаже с толщиной стенок 0,4 см.Нелинейные процессы диссипации энергии магнитного поля в случае сбериллиевой бронзой не оказывают никакого влияния, так как пороговоезначение напряженности магнитного поля Бр·Б2 составляет 740 кЭ. Так чтопри максимальных исследованных значениях напряженности Н= 250 кЭ этиэффекты сказываться не будут.В условиях экспериментов (Н≤250 кЭ) и эффекты, связанные сдиффузией силовых линий магнитного поля в проводник с конечнойпроводимостью существенной роли играть не будут.