Диссертация (Природа распространения фронта ионизации на начальных стадиях искрового разряда в инертных газах высокого давления при наличии сильного магнитного поля), страница 5

Процесс торможения образования катодного пятнав магнитном поле приводит к возрастанию длительности ступени.В этой главе также обсуждается зависимость t = f(d) при наличиивнешнего продольного магнитного поля. Обнаружен излом зависимости вазоте в области 1 - 2 мм, связываемый с изменением механизма разряда.Причем при равных условиях с изменением давления от 600 до 800 Торризлом перемещается из области 1,5 - 2 мм в область 1 - 1,5 мм. Этосвязывается с различными условиями образования критического объемногозаряда, вызванные изменением давления.В §3.2 этой же главы приводятся результаты исследования пробоя гелияиаргонаэлектронно-оптическимосциллографическимипреобразователемисследованиями.вСопоставлениесочетаниисодновременнополученных осциллографических данных с результатами исследованияЭОПографом позволяет получить весьма ценные сведения о газовом разряде.Известно, что время формирования пробоя газов определяется каквремя, проходящее от момента достижения напряжения статического пробоядо резкого провала напряжения.

С другой стороны, оно измеряется поразвернутой во времени и пространстве оптической картине от моментаприложения напряжения пробоя до появления первого видимого свечения.Определенные обоими методами времена формирования находятся вхорошем согласии. Это позволило сопоставить первое видимое свечение наЭОПограмме с резким спадом напряжения на осциллограмме.В работе также были получены экспериментальные результаты обособенностях формирования и развития на начальных стадиях пробояионизационных волн в инертных газах (He, Ar) атмосферного давления вкоротких промежутках (d=1 см) как при наличии предыонизации, так и безнее.25В частности, изучены оптические картины формирования плазменногомеханизмапробоявArипространственно-временныекартиныформирования искрового канала в Ar при наличии предыонизации газа впромежутке.По мере достижения концентрации электронов ≥1012 см-3 приперенапряжении W до 100%, с началом резкого роста тока возникаетсвечение на аноде, которое распространяется к катоду со скоростью ≥107см/с.

Достижение свечением катода приводит к повышению концентрацииэлектронов до 1014 см3,, а ток до значений 10 А. Образование катодного пятнаи искрового канала завершает процесс формирования пробоя газов.По результатам щелевой развертки свечения промежутка былиопределены скорости развития ионизационных фронтов для различныхначальных условий инициирования разряда.Вработеэкспериментальнополученыоптическиекартиныформирования объемного разряда (ОР) в Не в условиях предварительнойионизации газа.

Совмещение оптических картин разряда с их ВАХ позволяетзаключить, что первое регистрируемое ЭОПом (ФЭР-2) свечение при U0=15кВ возникает на аноде через 40 нс после приложения импульса напряжения,которое распространяется к катоду со скоростью ~ 108 см/с с образованиемОР. Распространение плазменного фронта от катода к аноду в основномсвязано с фотоионизирующим излучением из плазмы, что и определяетзначительные скорости распространения плазменного фронта.Времена существования фазы однородного горения ОР зависят отперенапряжения. С ростом перенапряжения ускоряется переход к искровомуканалу.

Как известно, от перенапряжения зависит энерговклад на той илииной стадии разряда. С ростом перенапряжения энерговклад в разрядвозрастает, и, соответственно, длительность фазы тлеющего свечения будетуменьшаться. Так как каждая из стадий развития разряда повышенногодавления имеет конкретные свои значения по энерговкладу, то из этого26следует, что для различных газов при одних и тех же условиях дляформирования всех стадий развития разряда энерговклад будет различным.При распространении плазменного фронта в Ar и He значения токаотличаются на порядок.

Это говорит о том, что для создания критическойконцентрации электронов в He ≥ 1012 см-3 потребуется больше энергии, чем вAr.Экспериментальнобылиисследованыпоследовательныестадииразвития плазменной области в гелии при отсутствии предыонизации. Вусловиях эксперимента с ростом напряжения число таких узких светящихсяобразований, возникающих у анода, увеличивается в Не во всем интервалеисследованных значений пробойного поля Ест<Е<15 кВ/см. Значениеплотности тока для одиночного образования составляет вначале его развития20 А/см2, чему соответствует плотность электронов ~1012 см-3, и к моментузамыкания промежутка ~ 1013 см-3.Таким образом, экспериментальные данные, полученные с помощьюэлектронно-оптическогопреобразователя,показали,чтопроцессы,приводящие к формированию высокопроводящего искрового канала, восновном, завершаются к моменту времени, соответствующему напряжениюперехода искры в квазистационарную дугу [3].Возникновение каналов в аргоне и гелии, связаны с неоднократнымпрохождением волн отрицательного напряжения от катода к аноду,возникновение которых связывается с процессами на катоде, ведущими кобразованию катодного пятна.

Периодичность процессов, приводящих кформированию катодного пятна, очевидно, определяет периодичностьвозникновения каналов. Таким процессом может быть прохождение волныотрицательного напряжения от катода к аноду, что вызывает вспышку света вканале. Фотоны из канала и тормозное излучение электронов при ударе обанод, падая на катод, вызывают выход следующего роя электронов и т.д.Итак, образование последовательных каналов в гелии и аргоне, впроцессе формирования искрового канала показывает, что энергия в27формирующийся искровой канал поступает порциями, что представляетинтерес для гидродинамической теории формирования канала искры. Нашиисследования позволяют предположить возможный механизм пробоя газов[25].Предполагаемый механизм пробоя газов заключается в следующем:фотоэлектроны, образуемые на катоде под действием внешнего облучениясоздают группу лавин, одновременно стартующих от катода.

Эти группылавин создают положительный пространственный заряд, усиливающий полеэлектродов. Это создает условия для почти одновременного развития группыблизкорасположенных электронных лавин (положительный заряд в головкахгруппы лавин действует как единое целое), по достижении которымикритического объемного заряда приводит к образованию стримера. Еслипервая группа лавин не создает критического объемного заряда, то стартуетот катода вторая группа лавин, образуемая фотоэлектронами, вырванными изкатода, в основном, либо излучением головок лавин, либо тормознымизлучением электронов при соударении с анодом.

Затем, если при развитиивторой группы лавин не возникает стример, то он может возникнуть приразвитии третьей группы лавин и т.д. пока не образуется критическийобъемный заряд, приводящий к образованию стримера. Приближениеголовки положительного стримера к поверхности катода приводит кусилению напряженности электрического поля у поверхности катоданастолько, что имеет место усиленная ионизация и возбуждение атомов имолекул газа, образующая катодное пятно.

Катодное пятно становитсяобильным источником электронов, которые создают последовательныеволны отрицательного напряжения, тем самым способствует усилениюпроводимости канала. Это вызывает перераспределение напряжения междуэлементами цепи, в которой находится пробиваемый промежуток, при этомнапряжениенапромежуткеквазистационарной дуги.падаетдонапряжениягорения28В §3.3 приводятся развернутые во времени (50 нс/мм) результатыфотографической регистрации спектров излучения плазмы искрового разрядапри различных значениях напряженности магнитного поля, с цельюопределить их влияние на концентрацию электронов ne, температуруэлектронов Теи излучательные характеристики лавинно-плазменныхстримеров начальных стадий разряда.Анализрезультатовспектральныхизмеренийпоказывают,чтоспектральный состав излучения искрового канала зависит от напряженностимагнитногополя.Степеньвлиянияпродольногомагнитногополяопределяется скоростью расширения искрового канала, которая в своюочередь является функцией скорости ввода энергии.

Уменьшение вмагнитном поле скоростиобуславливаетизменениепоперечноговпереносараспределениифронта ионизацииэнергии,соответственноизменится спектральный состав излучения плазмы.На основе выполненных в главе 3 исследований были сделаныследующие выводы:1.

Время формирования импульсного пробоя газов (Ar, He) придавлениях порядка атмосферного, небольших перенапряжениях и мощномоблучении светом от искрового разрядника, помещенного в тот же газ,уменьшается с увеличением напряженности внешнего сильного продольногомагнитного поля.2. Уменьшение времени формирования с возрастанием напряженностивнешнегомагнитногополясвязываетсясвозрастаниемпервогоионизационного коэффициента Таунсенда в результате образования вовнешнем магнитном поле критического объемного заряда, а также за счетускоренияпереходаотфотоиавтоэмиссииктермоэмиссииизобразовавшегося катодного пятна.3.

Незначительное изменение пробивного напряжения в магнитном полепредполагаетсясвязаннымсизменениемпервогоионизационногокоэффициента Таунсенда, исходя из условия зажигания газового разряда.294. Возникновение пульсаций в распространении стримера в гелии иаргоне, связывается, по нашему мнению, с неоднократным прохождениемволн отрицательного напряжения от катода к аноду, возникающих, повидимому,врезультатеизлученияплазмыстримера,связаннойсэкранировкой внешнего электрического поля на дебаевской длине, в своюочередь приводящей к охлаждению плазмы и усилению рекомбинационногоизлучения.В четвертой главе дана модель развития электрического разряда в газахи изучены лавинно-плазменные переходы и влияние на них внешнихмагнитных полей.

Оптические картины формирования искрового разряда винертных газах исследовались электронно-оптическим преобразователем.Результаты оптических измерений показали: во всех исследованных газах, наначальныхстадияхнаблюдаетсякакнепрерывноераспространениеплазменного стримера, так и скачкообразное с пульсацией по яркостиизлучение, до перекрытия промежутка.Затвором Керра получены оптические снимки начальных стадийразряда,формированиеканалаистадииегорасширения,стадииквазистационарной дуги во внешнем магнитном поле.Сопоставление значения тока и напряжения с оптическими картинамиразрядапозволилооценитьплотностьтока,энергиюимощность,выделяемую в разряде.Экспериментальные результаты в He показали, что вначале возникаетзаполняющее весь промежуток диффузное свечение.