Диссертация (Природа распространения фронта ионизации на начальных стадиях искрового разряда в инертных газах высокого давления при наличии сильного магнитного поля), страница 6

Далее, в течениевремени, равного сумме времен падения напряжения до ступени, и частичнов течение длительности ступени напряжения, в катодной области на фонедиффузного свечения возникает яркое свечение, привязанное к катодномупятну, вдоль которого со скоростью ~ 106 см/с прорастает искровой канал,закорачивая промежуток.Таким образом, в работе получены детальные экспериментальныерезультаты исследования электрических, оптических и спектральных30характеристик по импульсному пробою аргона и гелия в сильныхпродольных магнитных полях с напряженностью до 250 кЭ и были сделаныследующие выводы:1. Свечение головок периодически возникающих светящихся пульсацийсвязывается с сильной ионизацией и возбуждением атомов и молекул нафронте волны отрицательного напряжения: уменьшение яркости вспышексвета у катода с увеличением номера вспышки можно объяснить тем, чтопервые вспышки имеют место при больших напряженностях поля междукатодом и концом положительного стримера и по мере образованиякатодного пятна происходит падение напряженности поля, с чем связаноуменьшение ионизации и возбуждения атомов у катода и следовательнояркости свечения.

Образование катодного пятна приводит к увеличениюпотока электронов, движущихся от катода к аноду, что, может также усилитьяркость каналов у анода (с увеличением их номера).2. Образование последовательных каналов в гелии и аргоне в процессеформирования искрового канала показывает, что энергия в формирующийсяискровой канал поступает порциями. Это представляет большой интерес длягидродинамической теории формирования канала искры.В заключении диссертации сформулированы основные результаты ивыводы работы.31ГЛАВА I. ФОРМИРОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОГО ПРОБОЯ ГАЗОВ§1.1.

Лавины ионизацииЭлементарные процессы при пробое однородного газового промежутканизкого давления впервые рассмотрены Таунсендом [26]. Его теорияудовлетворительно описывает экспериментальные данные при значенияхpd≤200 Торр·см.Пробой промежутков при атмосферном давлении имеет следующиефакты, необъясняемые теорией генерации электронных лавин:1) зависимость времени формирования пробоя от начальной плотностиэлектронов при больших значениях рd намного слабее, чем следует изформулы Таунсенда (1.6);2) при больших значениях рd напряжение пробоя не зависит от природыкатода, в то время как по теории Таунсенда такая зависимость вытекаетиз условия пробоя  exp d   1 , где- коэффициент второйэлектронной эмиссии Таунсенда, который характеризует электроннуюэмиссию из катода при его бомбардировке положительными ионами;3) теория Таунсенда применима к описанию развития электронной лавиныдо пренебрежения полем пространственного заряда лавины относительновнешнегоэлектрическогокритическогоусиленияполя.поля,Помередостиженияпространственныйзарядлавинойначинаетсущественно влиять на развитие пробоя.

Лавина становится источникомускоренногопроростанияфронтовионизации-стримеров,которыеперекрывают разрядный промежуток со скоростью на порядок большейскорости электрического дрейфа электронов.Попытки усовершенствовать теорию Таунсенда и объяснить малыевремена формирования стримерного пробоя без привлечения вторичныхмеханизмовзарожденияновыхлавинлишьиспользуяувеличениекоэффициента ударной ионизации  при учете поля пространственногозаряда в лавине не увенчались успехом. Теория, которая не учитываетвторичные процессы, не может объяснить существование самостоятельного32разряда, т.к. во всех случаях имеется существенная зависимость пробивногонапряжения от начальной концентрации электронов n0e , что противоречитэксперименту.Учитывая, что скорость ионов намного меньше скорости электронов, движением положительных ионов в межэлектродном пространствеможно пренебречь.

Величина времени формирования пробоя определяетсятолько скоростью электронов. Из этого следует, что при рассмотрениимеханизмаискровогоразрядарассматриваетсятолькоперемещениеэлектронов.Из анализа экспериментальных наблюдений Дж. Мик и независимо отнего Г. Ретер выдвинули отличный от теории Таусенда механизм пробоягазов.

Этот механизм впоследствии детально был разработан Л. Лебом. Внастоящее время эта теория известна как стримерная теория искровогоразряда. Согласно теории Мика-Ретера-Леба [7-9]:1) рассмотренный механизм стримерного пробоя учитывает движениеэлектронов,т.к. в течение короткого времени пробоя движением ионовможно пренебречь;2) разряд начинается с одного электрона и распространяется вдоль узкогоканала;3) механизм пробоя зависит только от вторичных процессов в объеме газа;4) выбранный механизм развития разряда учитывает процессы, связанные собразованием пространственного заряда в лавине ионизации газа.Классическая стримерная теория не дает полного описания процессапробоя в количественном отношении, тем не менее ее общие представления остримерной фазе развития искрового разряда качественно верны иэкспериментально доказаны.Ряд учѐных предложили устранить возникшее противоречие учетомвлияния пространственного заряда.

Стримерная теория пробоя газоввысокого давления без участия вторичных процессов на катоде дана вработах [7,8,15,27,28].33Вомногихработахвосновномизучаютсямакроскопическиехарактеристики разряда: изменение напряжения и тока на разрядномпромежутке; геометрические размеры лавины, стримера, канала, дуги;почернение фотопленки и т.д. Из анализа макроданных делается вывод омикроструктуре разряда в газах: концентрация электронов и ионов,коэффициентах ионизации; рекомбинации; вторичной фото- и ударнойэмиссии; числе фотонов, излучаемых лавиной и т.д.Развитие лавины ионизации впервые наблюдал в камере Вильсона РетерГ. [9].

Им предложены методы наблюдения электронных лавин и стримеров.Исследованияфотографийодиночныхлавинпоказали,чтопробойначинается лавинным ионизационным процессом, имеющим форму клина сзакругленной головкой. Считая радиальное расширение головки лавинырезультатомсвободнойдиффузииэлектронов,попрофилюлавиныопределены средняя энергия теплового движения электронов (температура).В зависимости от сорта газа и величины отношения напряженностиприложенного электрического поля к давлению дрейфовая скорость частицменялась в пределах: от 105 до 107 см/с для электронов, и от 104 до 105 см/сдля ионов.Учитывая, что дрейфовая скорость электронов значительно превышаетскорость положительных ионов, развитие лавины ионизации определяетсяскоростью электронов.Развитие лавин с большим усилением~ еαх >107-108 (где α – первыйионизационный коэффициент Таунсенда, хкр – расстояние, пройденноелавиной до критического усиления) при равенстве внутреннего поляразделение зарядов внешнему возникают направленные в разные стороныфронты ионизации, которые распространяются со скоростями на порядокбольше скорости дрейфа лавины при данных условиях.

Это связано с тем,чтопроисходитпространственногоискажениезарядавнешнеголавины.электрическогоИзлучениеизполяголовкиполемлавины,34ионизирующее газ, играет определяющую роль в ускорении стримеров.Радиус стримера составлял ~ 10-2 см.На рис. 1.1 а - ж, представлены фотографии стримеров, снятых в камереВильсона, и схематическое изображение пространственного перехода лавиныв «плазменный стример». Время зарождения стримера и проходимое имрасстояние от катода до ее трансформации в стример, названы критическими[29].Моделирование ряда параметров лавины, порождаемой электроном в Heпри различных значениях напряженности внешнего поля E, отнесенной кдавлениию p изучено в работе [30]. Зависимость частоты ионизации икоэффициента Таунсенда имеют максимумы при E/p < 1000 и > 200В/см∙Торр соответственно.

Современные представления о распределенииплотности электронов в лавине справедливы при сравнительно небольшихзначениях приведенной напряженности поля E/p < 100 В/см∙Торр. При E/p >100 В/см∙Торр распределение плотности электронов вытягивается вдольполя.Если газ находится в достаточно сильном электрическом поле, случайнородившийся электрон экспоненциально размножается, образуя электроннуюлавину.Когдачислоэлектроновстановитсядостаточнобольшим,образовавшаяся плазма начинает искажать внешнее поле. С этим связаноформирование стримера. Сейчас много работ посвящено моделированиюстримера. Однако подробная модель существует лишь для азота.

В то жевремя, для проверки основных положений теории, интерес представляетрассмотрение лавины в гелии, для которого хорошо известны сеченияэлектрон-атомных столкновений.В работе [31] на основе моделирования динамики многих частицвычислены коэффициенты Таунсенда и средние скорости электронов,размножающихся в гелии в промежутке между плоскими электродами.35E0абE0вА6970737679828385t, нсК1234г67дn(t)xАнодxend5108x1106Катод104IIIIII IV75100210Анодxend10xкр2550125x1150t, нсvКатодt1ttendtкрtt2t3t2t3 Tn t4t0Катод0,51,0е1,52,02,5x, см АноджРис.

1.1 Развитие лавины ионизации:а) переход лавины в стример, сфотографированный в камере Вильсона (воздух, 270 Торр);б) схема лавинно - стримерного перехода, соответствующая рисунку а; в) искажениеэлектрического поля Е0 пространственным зарядом лавины с большим усилением [9];г) покадровая съемка стримера в искровой камере [4]; д) фотография процесса развитияанодо - и катодонаправленных стримеров для N2 с добавкой метана, при р = 300 Торр [9];е), ж) схематическое изображение временного и пространственного перехода лавины встримеры [9].Было показано, что при больших значениях напряженности поля идостаточнобольшомионизационныйрасстояниикоэффициентмеждуТаунсенда.плоскостями,Приэтомимеетсмыслзависимость36коэффициента Таунсенда от напряженности внешнего поля E, отнесенной кдавлению p, имеет максимум при E/p ≈ 200 В/см∙Торр, что приводит квозникновению верхней ветви кривой Пашена.В работе [32] на основе простейшей математической модели дляописанияпроцессоввгенераторахэлектронногопучканаосновевысоковольтного тлеющего разряда с убеганием электронов [33, 34] найденазависимость тока разряда от приложенного напряжения.

Такая модель даетвозможность проанализировать зависимость вольтамперной характеристикиразряда от сорта газа, что представляет значительный интерес, так какбольшинство исследователей изучают разряд в гелии, практически не уделяявнимания другим газам. Проведен анализ влияния сорта газа на ток разряда,проведеносравнениеполученныхзависимостейсрезультатамиэкспериментов.§1.2. Современные представления по пробою газов высокого давления.Развитие плазменных стримеровЭкспериментальные исследования пробоя газов высокого давления восновном посвященные вольтамперным и оптическим характеристикамразряда привели к обилию данных о характере зарождения и развитиястримеров [1,5,9,15,23,28,35,36].Были определены следующие наиболее общие закономерности:1) стримеры возникают в одной, либо в нескольких областях разрядногопромежутка и распространяются к обоим электродам;2) скорость распространения стримеров меняется в пределах 107 ÷ 109 см/с,она на порядок превосходит скорость дрейфа электронной лавины.