Диссертация (1150471), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Это явление было названо нами аномальным эффектомпамяти. Одним из положений, выносимых на защиту, является экспериментальноедоказательство существования такого эффекта и возможное его объяснение.В работе также представлены результаты исследования явлений, сопровождающихпробой. Это эффект «темной фазы» и особенности нарастания разрядного тока в цепи вмомент пробоя трубки.
Интерес к этим эффектам обусловлен их связью с интенсивностьюионизационных процессов при пробое. В частности, они могут указывать на присутствиеволны ионизации.Первый эффект ранее изучался ранее (в том числе в нашей лаборатории) дляинертных газов. Внешне он наблюдается как пауза в свечении всех спектральных линий иполос после первоначального всплеска интенсивности излучения в момент пробоя трубки. Взависимости от условий, длительность этой паузы может варьироваться от десятковмикросекунд до нескольких миллисекунд, и лишь по ее окончании начинает формироватьсясвечение постоянного разряда. Исследования в инертных газах показали, что эффектвозникает благодаря повышенной, в сравнении со стационарной, концентрации электронов втрубке в первые моменты времени после пробоя.
Главное отличие настоящих результатовсостоит в выяснении роли волны ионизации в формировании этого эффекта, которая ранеене отмечалась. Был обнаружен ряд новых особенностей эффекта «темной фазы» в азоте вприсутствии волны.Особенности поведения разрядного тока наблюдались как узкие выбросы (ширина наполувысоте порядка 100 нс) на осциллограммах тока в цепи заземленного катода в моментвремени, отвечающий пробою. Амплитуда этих выбросов значительно превосходитвеличину тока в установившемся разряде и, более того, максимальную величину тока,которую способна пропускать электрическая цепь. Примечательным обстоятельствомявилось то, что эти выбросы наблюдаются лишь при пробоях импульсами напряженияположительной полярности. Совокупность этих и ряда других фактов мотивировалиэкспериментальную проверку условий существования этого явления и выяснение егофизических причин.
В ходе исследований была установлена тесная связь междуособенностями на осциллограммах тока и волной ионизации, в частности, выяснилось, чтовыброс тока следует непосредственно после «касания» фронта волны заземленногоэлектрода. Вторым защищаемым положением является экспериментальная проверка6существования обозначенных эффектов в разряде в азоте и доказательство их связи спрохождением волны ионизации.Экспериментальные результаты, представленные в работе, разбиты на две части. Впервой части приведены данные по эффектам, сопровождающим пробой трубки: темнойфазе и особенностям поведения разрядного тока.
Во второй части приводятся результатыисследований эффекта памяти для напряжения пробоя. Здесь также представленырезультаты исследования зависимости напряжения пробоя от скорости роста напряжения изависимости скорости волны ионизации от напряжения пробоя. Эти результаты имеют исамостоятельный интерес. Заметим, что ранее производились измерения зависимостискорости распространения волны ионизации от амплитуды импульсов прикладываемогонапряжения, зависимость же ее от реализующегося напряжения пробоя не изучалась.Первая глава диссертации посвящена обзору научной литературы по затрагиваемымтемам.
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 обширных исследований эффекта памяти в короткихразрядных промежутках, описан метод «кривых памяти».
Вторая глава содержитинформацию об экспериментальной установке и методике проведения измерений.Экспериментальные результаты и их обсуждение представлены в главах с третью по пятую.В третьей главе описаны особенности эффекта темной фазы при разряде в азоте низкогодавления и приводится его объяснение на основе 0-мерной модели. В четвертой главеприведены данные по исследованию выбросов разрядного тока и объяснение их природы.Пятая глава посвящена феноменологии эффекта памяти в длинной разрядной трубке, даныкачественные объяснения и некоторые количественные оценки. Завершают диссертациюзаключение и список изученной литературы.Результаты настоящей диссертации были представлены на XXI Европейскойконференции по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (ESCAMPIG), 2012,Португалия; VI и VII Международных конференциях по физике плазмы и плазменнымтехнологиям (РРРТ), 2009, 2012, Минск; XXXVI, XXXVIII, XL и XLI Международныхконференциях по физике плазмы и УТС, 2009, 2011, 2013, 2014, Звенигород; Всероссийскойконференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП), 2011, Петрозаводск;международном семинаре по физике плазмы, 2011, Грайфсвальд; семинаре «Получение,исследование иприменение низкотемпературнойплазмы», 2014, Москва, ИНХС;7международных студенческих конференциях «Наука и прогресс», 2012, 2013, СПбГУ; 20-йВсероссийскойнаучнойконференции студентов-физиков имолодыхученых, 2013,Архангельск,а также опубликованы в следующих статьях и материалах конференций:1.
Дятко Н.А., Ионих Ю.З., Мещанов А.В., Напартович А.П., Шишпанов А.И. // Физикаплазмы. 2011.Т. 37. С. 544.2. Шишпанов А.И.,Ионих Ю.З, Мещанов А.В., Дятко Н.А.// Физика плазмы. 2014. Т.40. №6.С. 548 – 562.3. Дятко Н.А., Ионих Ю.З., Мещанов А.В., Напартович А.П., Шишпанов А.И.//VIМеждународная конференция по физике плазмы и плазменным технологиям. Минск 2009г.с.23.4.
Дятко Н.А., Ионих Ю.З., Мещанов А.В., Напартович А.П., Шишпанов А.И.//Труды XXVIIIМеждународной конференции по физике плазмы и УТС. Звенигород 2010 г., с.195.5. Ионих Ю.З., Мещанов А.В., Шишпанов А.И.// Труды конференции по физикенизкотемпературной плазмы. Петрозаводск, 2011г., т.1, с.117.6. Shishpanov A., Meshchanov A., Ionikh Y.// ESCAMPIG XXI (Viana do Castelo, Portugal, 2012).Poster № P3.9.4.7. Томберг Д.С., Шишпанов А.И., Блашков В.И., Мещанов А.В., Ионих Ю.З. //Труды XXVIМеждународной конференции по физике плазмы и УТС.
Звенигород 2009г., с.2358. Дятко Н.А., Ионих Ю.З., Мещанов А.В., Напартович А.П., Шишпанов А.И.//Труды XXXIМеждународной конференции по физике плазмы и УТС. Звенигород 2013.9. Шишпанов А.И., Ионих Ю.З., Мещанов А.В., Кучугура М.Д.// VII Международнаяконференция по физике плазмы и плазменным технологиям.
Минск 2012г. т.1, с.279.8Глава 1. Обзор литературы1.1 Пробой газаИзучение процесса формирования тлеющего разряда имеет длительную историю.Уже в работах Дж. Дж. Томсона 1893 г.[1] описывается зажигание длинных разрядныхтрубок. В 1889 году Ф. Пашен опубликовал исследования по зависимости напряжениязажигания от давления для плоскопараллельных разрядных промежутков, был открытхорошо известный закон, названный его именем.
С этого момента в науку устойчиво входитпонятие электрического пробоя как процесса возникновения разряда вследствие «лавинного»нарастания ионизации. Именно такой механизм был предложен Дж. Таунсендом в 1900 годудля описания процессов ударной ионизации газов электронами и ионами. В рамках этойтеории были удачно описаны пашеновские кривые, и в итоге возник общепринятыйлавинный механизм пробоя [2,3].В современной научной литературе пробоем называют явление, в ходе которогоизначально непроводящий газ становится проводником электричества [2]. На практикепробой наблюдается следующий образом: на электроды разрядной трубки, наполненнойгазом заданного давления, подается напряжение с некоторой конечной скоростью.
Наопределенном уровне рост напряжения сменится его резким спадом. При этом в промежуткевозникнет свечение, и загорится разряд. Тот уровень, после достижения которогонаблюдается спад напряжения на разрядном промежутке, называется напряжением пробояUb или потенциалом зажигания.Различают три основных механизма пробоя, которые условно можно разделить позначению величины pd, где p – давление газа, а d – ширина разрядного промежутка.
Прималых pd, порядка 1Торр∙см, реализуется лавинный механизм пробоя. Для описания этотмеханизм наиболее прост, поскольку процессы ионизациипроисходят в электрическомполе, величина и конфигурация которого заданы источником напряжения и электродами.Возникающий под действием внешнего ионизатора или вырываемый с катода электронразгоняется в электрическом поле, и при достижении необходимой кинетической энергииучаствует в ионизационных столкновениях, порождая новые электроны. Мультипликацияэлектронов приводит к возникновению серий электронных лавин, замыкающих разрядныйпромежуток. Эти процессы ведут к зажиганию разряда, если выполнено условиевоспроизводимостиэлектроноввследствиевторичныхпроцессовнакатоде,характеризуемых коэффициентом γ. В случае однородного поля это условие имеет вид(),9где α – первый ионизационный коэффициент, определяющий эффективность процессаударной ионизации в газе, d– длина разрядного промежутка.
Для реализации этогомеханизма необходимо, чтобы возникающий объѐмный заряд лавины был столь мал, чтобыне искажал внешнее поле [2,4].При pd, превышающем приблизительно 10 ‒ 100 Торр·см, лавинный механизмпереходит в стримерный. Так же как и в предыдущем случае, пробой начинается с развитияэлектронной лавины, но образующийся объѐмный заряд лавины значительно искажаетвнешнее поле. Собственное электрическое поле этого заряда направлено противоположновнешнему, при этом на переднем фронте лавины и в ее хвосте оно оказывается усиленным.Исходящее из этих областей излучение производит фотоионизацию газа, в результате изпереднего фронта и хвоста лавины начинают прорастать проводящие каналы малогодиаметра – катодно- и анодно-направленные стримеры, замыкающие разрядный промежуток.Пробой завершается формированием искрового канала. Лавинно-стримерный переходвозникает при условии, что для одиночной лавины выполняется следующее соотношение:exp(αd) ≥ Nкр,гдеNкр – критическое число электронов [2,4].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
