Автореферат (1150470), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Работасостоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 69 наименований.Содержание работыВо введении показана актуальность темы исследований, обоснована ихнаучная новизна и практическая значимость. Определен объект исследований ипоставлены основные задачи исследований. Приведены защищаемые положения.Первая глава посвящена обзору научной литературы по затрагиваемым темам.В частности, изложены основные представления о пробое, его характеристиках. Болееподробно освещен механизм пробоя, связанный с волной ионизации, ее наблюдение вэксперименте и подходы к теоретическому описанию и моделированию.
Приведенынекоторые основные результаты исследований эффекта памяти в коротких разрядныхпромежутках, описан метод «кривых памяти».Вторая глава содержит информацию об экспериментальной установке иизмерительной аппаратуре, а также о методике проведения эксперимента.Исследования проводились в трубке с расстоянием между электродами 40 см ивнутренним диаметром 3 см, в азоте при давлении ~1 Торр.
Осуществляласьнепрерывная прокачка газа через разрядную трубку. Разряд зажигался при подаче наэлектроды высоковольтных импульсов положительной или отрицательнойполярности. Импульсы формировались с помощью электронного ключа (разработкаА.В.Мещанова) и имели линейно-растущий передний фронт. Система регистрацииданных включала устройства для диагностики электрических величин (токи в цепяхзаземленного и высоковольтного электродов и напряжение на разрядной трубке) идля оптических и спектроскопических измерений.
Сигналы регистрировались спомощью цифровых осциллографов с выходом на компьютер. Приспектроскопических измерениях использовался многоканальный счетчик фотонов,разработанный Г.В.Жувикиным и В.А.Ивановым. Временнóе разрешение прирегистрации электрических и оптических сигналов достигало 10 нс, приспектроскопических измерениях ‒ 1 мкс. Динамическое напряжение пробояопределялось по осциллограммам напряжения на трубке. Пробойным потенциаломсчитался тот уровень напряжения, после которого наблюдался резкий спад наосциллограмме. Средняя скорость волны ионизации на участке трубки определяласьпо разнице моментов регистрации сигналов от двух разнесенных вдоль трубкисветоводов, передающих импульсы излучения фронта волны.Третья глава посвящена исследованию эффекта «темной фазы»развитияположительного столба разряда в азоте.6Ранее темная фаза (ТФ)была обнаружена и исследована в разряде в инертныхгазах [1, 2].
При пробое после первоначального всплеска интенсивности излученияразряда наступала пауза свечения всех спектральных линий и полос. Ее длительностьмогла достигать нескольких миллисекунд, по прошествии которых свечениевыходило на стационарный уровень. Было доказано, что причина ТФ – повышенная, всравнении со стационарной, концентрация электронов. Расчет показал, что источникэтих электронов – реакции ионизации с участием метастабильных атомов.
Посколькув разряде в азоте процессы с участием метастабильных молекул:N2 (a1u , A3u ) N2 (a1u ) N 4 e(1)интенсивностьотн.ед.i, мАUтруб, кВтакже играют большую роль, можно было ожидать существование такого эффекта и вэтом случае. Проведенные в работе исследования показали, что он действительнонаблюдается, однако необходимая избыточная концентрация электронов в этомслучае нарабатывается во фронте ВИ, а не в ходе процесса (1).Условия эксперимента варьировались в следующих пределах: по давлению от0,5 до 2Торр, по току в разряде от 4 до 15 мА, по напряжению источника от 2,8 до 4,0кВ; исследовались обе полярности напряжения.
Пробой производился импульсами сфронтом шириной от 25 до 100 мкс, длительностью 10 мс и частотой 5 Гц.Во всем диапазоне условий ТФ регистрировалась только при положительнойполярности напряжения. Ее длительность составляла ~ 100 мкс и зависела отвеличины разрядного тока, давления газа, а также точки наблюдения вдоль оситрубки.2,01,8Синхронно с провалом свечения1,61,41,21,0разряда на осциллограммах тока в0,80,60,40,2цепи катода наблюдалась область0,00200400600800100040плато, превышавшая уровень тока в35302520стационарном разряде, а также провал15105на осциллограммах межэлектродного0020040060080010000,06напряжения (рис.1). В момент пробоя,0,04отвечающийрезкомуспаду0,02напряжения, регистрируется узкий0,0002004006008001000выброс тока в цепи катода и возникаетt, мкскороткий всплеск интенсивности,после которого следует ТФ.
ПриРис. 1. Синхронные осциллограммыотрицательной полярности все этинапряжения на трубке, разрядного тока иинтегральной яркости при заземленномособенности не наблюдаются (рис.2).катоде. p = 1Торр, Rб= 260 кОм, U0= 3,0 кВ,Длительность ТФ возрастала спериод повторения импульсов 200 мс.повышением давления, но снижалась сростом тока. Зависимость длительности ТФ от точки наблюдения вдоль оси трубки7выражалась в том, что для давлений, меньших 2 Торр, пауза свечения длилась дольшеу катода. При р > 2 Торр наблюдалась обратная картина.Важная, не отмеченная ранее,особенность – это зависимостьэффекта от полярности напряжения. Впредыдущих работах, посвященныхисследованию ТФ в инертных газах,эффектвозникалприлюбойполярности.Этотфактбылдополнительно проверен в даннойработе в экспериментах с аргоном иt, мксгелием.Рис.2 Синхронные осциллограммыОтдельно был исследован пикнапряжения на трубке, разрядного тока ияркости оптического излучения наинтегральной яркости при заземленномпереднемфронтеразрядногоаноде.
Условия те же, что на рис.1.импульса.Приположительнойполярности напряжения он имеет малую длительность (ширина на полувысоте ~100нс) и перемещается вдоль оси трубки от высоковольтного электрода. Скорость этогодвижения возрастала при приближении к катоду; в зависимости от условий, онаменялась от ≈ 3∙106 до ≈ 108 см/с.Минимальная зарегистрированная полуширина пика составляла 70 – 80 нс(рис.3). Эта величина порядка времени жизни короткоживущих состояний N2 (C3Пu)(≈ 40 нс) и N2+ (B2Σu+) (≈ 60 нс), переходы с которых (вторая положительная (2 п.с.) ипервая отрицательная (1 о.с.) системы соответственно) наблюдаются в спектреизлучения пика (рис.2).
Яркости полос в пике получились примерно одинаковыми,несмотря на большое различие энергий состояний N2(C3Пu) и N2+(B2Σu+), чтосвидетельствовало о большой величине приведенной напряженности электрическогополя E/N. Из соотношения интенсивностей полос можно найти величину E/N в пике,которая составила ≈800 Тд, что на порядок больше, чем в положительном столбеустановившегося разряда. Представленные факты дают право ассоциироватьподвижный пик интенсивности с излучением из фронта ВИ.При отрицательной полярности напряжения ширина пика больше почти на двапорядка, чем в случае положительной полярности. Наблюдаемый широкий максимумяркости не проявляет движения вдоль трубки, а величина поля в нем не отличается отполя в разряде.
Отдельные исследования показали, что в момент пробоянепосредственно над срезом катода возникает узкий всплеск свечения с высокимзначением поля. Двигаясь вдоль оси трубки, он сильно расплывается и становитсянеразличимым с широким максимумом после прохождения первой трети ее длины.2500U, кВ200015001000500интенсивность,отн.ед.i, мА08765432100200400600800100002004006008001000020040060080010000,160,140,120,100,080,060,040,020,008Анализ литературных источников показывает, что в условиях невысоких напряженийотрицательные ВИ могут сильно затухать или вовсе не возбуждаться.(б)(а)Рис.
3. Контуры полос излучения а) 2 п.с. (0 - 2) и б) 1 о.с. (0 - 0)азота в пикеинтенсивности. Давление 1Торр, U0= 3 кВ, Rб = 520 кОм.Н.А.Дятко разработал расчетную модель [3], описывающую развитие разрядапосле пробоя на основе согласованного решения уравнений для концентрацийэлектронов, ионов, населенностей возбужденных состояний молекул и атомов,уравнения Больцмана для функции распределения электронов по энергиям иуравнения для электрической цепи.
В стандартном варианте в этой модели бралосьнулевое начальное условие для концентрации электронов. В этом случае модельпоказала невозможность возникновения ТФ в азоте за счет процесса (1) ивоспроизвела оптические и электрические характеристики разряда приотрицательном напряжении.
Для того, чтобы модель смогла воспроизводить ТФ,потребовалось задать начальную концентрацию электронов бóльшую, чем встационарном разряде. Источником этих избыточных электронов может бытьположительная волна ионизации. В этом случае модель удовлетворительновоспроизводит кривые, представленные на рис.1.Глава 4 обобщает результаты исследований узкого (ширина на полувысоте~100 нс) выброса на переднем фронте импульса тока в цепи заземленного катода,совпадающего с моментом пробоя трубки. Его амплитуда превосходит не только токв стационарном разряде, но и максимально возможное значение тока для даннойэлектрической цепи.На рисунке 4а представлена развертка переднего фронта типичного сигналатока в цепи заземленного катода. На кривой можно выделить две части: узкую(ширина ≈100 нс) на фронте кривой и медленно (за времена ~1 мкс) спадающую ктоку установившегося разряда.
Если же заземленным электродом был анод, то96012501040830i, мАi, мАкартина радикально менялась (рис.4б). Наблюдался широкий (~10 мкс) максимумтока, незначительно превосходящий ток установившегося разряда.Обнаружена связь выброса тока в цепи заземленного катода с оптическимсигналом от ВИ. Выброс возникал после того, как фронт волны достигалзаземленного электрода. Точнее, как выяснилось при измерениях непосредственнонад срезом катода, происходило запаздывание оптического сигнала ВИ относительновыброса тока, которое составляло ≈ 50 нс.2064102002468100,0t, мкс0,20,40,60,81,0t, мс(а)(б)Рис.
4. Выброс тока для p = 1 Торр, Rб= 520 кОм: а)U0= +3 кВ; б) U0= -3 кВБыли проведены измерения тока в цепи высоковольтного анода с цельюопределить присутствие узкого выброса тока во всей цепи. Применялись схемы синдуктивной и резисторной развязкой; достаточной разрешающей способностьюобладала лишь последняя. Эксперимент показал, что узкая компонента токовогосигнала регистрируется исключительно в цепи заземленного электрода.Еще одна особенность тока цепи заземленного катода ‒ наличиепредпробойной составляющей, появление которой коррелирует с движением волныионизации от анода.
Предпробойный ток можно связать с движением объемногозаряда, который образуется во фронте ВИ и наводит слабый электрический ток вовнешней цепи.Выброс тока может иметь следующие причины. Во-первых, он может бытьсвязан с разрядкой распределенной емкости трубки на землю через цепь катода вмомент прибытия на него ВИ. Этот процесс моделировался как замыкание разрядногопромежутка при срабатывании быстрого ключа, который подключал малоесопротивление плазмы и разряжал через него емкость. В результате в цепи катодавозникает максимум тока.Такой подход позволил воспроизвести широкую часть сигнала в цепизаземленного катода и максимум тока в цепи заземленного анода. Причем для10получения удовлетворительной аппроксимации предполагалось, что при пробоеположительным напряжением проводимость возникающей плазмы на порядок выше,чем при пробое отрицательным.
Этот результат хорошо согласуется с выводамимодели ТФ в главе 3.Узкая часть выброса тока не воспроизводится описанной моделью. Его природаможет быть связана с передачей в цепь заземленного катода объёмного заряда фронтаВИ. Из предположения о том, что ВИ ведет себя как уединенная волнаэлектрического поля гауссовой формы, а также из электростатической теоремыГаусса можно было приближенно связать объемный заряд фронта с полем и,соответственно, получить уединенную волну электрического заряда. Принимаяполуширину узкой части выброса тока за время передачи заряда на катод, можновоспроизвести ход тока во времени:( ){ () }где φ0 - пробойный потенциал (2 кВ), r0 – радиус трубки вблизи катода (3 см), ε0‒электрическая постоянная, Δt = 30 нс – полуширина контура волны, V – скорость ВИ,L – длина разрядного промежутка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
