Диссертация (1150471), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Докажемэто утверждение.Рассмотрим поток вторичных электронов в момент времени. С учетом приведенныхвыше рассуждений этот поток будет выражаться в виде:{где– плотность ионов до приложения поля,}– площадь эмиссии. Раскрывая выражениядля t0 и tdr, получаем оценку времени запаздывания пробоя в зависимости от q:{√},√(5.4)где A – некоторая константа, которая подбирается так, чтобы получить правильные значениявремени запаздывания. Это выражение позволяет воспроизвести спадающий участок кривойзависимости Ub(dU/dt). Воспользуемся представлением для пробойного напряжения вида:, в котором константа C имеет смысл статического напряжения пробоя.Возьмем C = 900 В как наименьшее напряжение пробоя, наблюдавшееся в эксперименте призаземленном катоде.
При заземленном аноде C = 1350 В.P=0.6Торр, Rб=520кОмP=1,0Торр, Rб=260кОмP=0.6Торр, Rб=260кОм2,01,8Ub, кВ1,61,41,21,00,8610710810dU/dt, В/сРис.5.28 Сравнение результатов эксперимента с теоретической оценкой по формуле (5.4),(прерывистые линии). U0 = 3.6 кВ, период 200 мс. Заземленный катод.106На рис.5.28 и 5.29 экспериментальные кривые сравниваются с результатамимодельных представлений. Для высоких скоростей роста напряжения формула (5.4) даетудовлетворительную оценку поведения пробойного напряжения с ростом крутизны фронтаимпульса.Значения напряжения в области пологих фронтов можно воспроизвести, еслипринять, что инициирующий электрон рождается при рекомбинации атомов на поверхностиэлектрода. При частоте эмиссии 103 с-1 получаем время запаздывания порядка 1 мс, что сучетомстатическогонапряженияпробоядаетудовлетворительноесогласиесэкспериментом.
Область перехода от атомного к ионному механизму инициированияэлектронов не воспроизводится формулой (5.5), которая также не справедлива дляdU/dt>1∙108 В/с. При таких резких фронтах электроны, возникшие в отсутствии поля,например, вследствие оже – нейтрализации при оседании остаточных ионов наметаллических поверхностях или эффекте Молтера (см. п.5.5.2) не успевают уйти и сразувовлекаются в ионизационное размножение. В этом случае время ожидания пробоя уже неопределяется дрейфом остаточных ионов. Напряжение в этой области должно быть близкимк минимальному и слабо зависеть от крутизны фронта.1,91,8Ub, кВ1,71,61,51,41,3510671010dU/dt, В/с810Рис.5.29 Сравнение результатов эксперимента с теоретической оценкой с использованиемформулы (5.4).
Давление 0,6 Торр, U0 = 3.6кВ, Rб = 260 кОм, период 200 мс. Заземленныйанод.107Отметим, что для точной оценки момента зажигания длинной трубки нужно знать времяобразования фронта ВИ после первичного пробоя. Но если считать, что это время сравнимо свременем распространения ВИ (т.е. ~1 мкс), то им можно пренебречь.5.5.5. Эффект памяти при пробое парами импульсов напряжения.
Заземленный катод.Описанные выше проявления эффекта памяти были связаны с условиями, когдаимпульсы зажигаются относительно редко, с периодами от ~ 1 ‒ 10 с до ≈ 50 ‒ 200 мс. Прирассмотрении результатов экспериментов с парами импульсов речь идет о временах еще наодин ‒ два порядка меньших. В таких условиях в разрядном объѐме в промежутке междуимпульсами одной пары концентрация заряженных частиц остается высокой. Их влияниеприводит к развитию двух явлений: аномального и нормального эффектов памяти, которыебыли обнаружены для различных полярностей и наклонов фронтов напряжения.Как было показано выше, вплоть до задержек в ≈ 150 - 250 мс электроны могут гибнутьвследствие амбиполярной диффузии, при этом их концентрация может колебаться от 5∙103 до104 см-3. Диапазон исследованных временных задержек ограничивался Δt = 70 мс, в течениекоторых концентрация остаточных электронов снижалась примерно до (1 – 4)∙106 см-3 взависимости от значений электронной температуры.
В то же время при минимальныхзадержках (~1 мс) концентрация электронов почти не успевает снизиться, и загораниеимпульса происходит в плазме, в которой плотность зараженных частиц мало отличается отплазмы положительного столба. Эксперимент показывает, что при высоких dU/dtнапряжение зажигания второго импульса может превосходить пробойное напряжениепервого импульса уже при минимальных задержках.
При скорости роста напряженияменьшей 10 кВ/мс для минимальных интервалов между импульсами эффект памяти носитнормальныйхарактер,т.е.Ub1>Ub2.Одновременнонаблюдаетсязначительныйпредпробойный ток. Существенно то, что ВИ в этих условиях не регистрируется во всемисследованном диапазоне dU/dt.Рассмотрим вначале случай минимальных задержек (~1 мс). За такой промежутоквремени концентрация электронов почти не успевает измениться (рис.5.30). При высокихконцентрациях электронов потенциал стенки в приэлектродной области близок к потенциалусамого электрода, т.е.
между высоковольтным электродом и стенкой не возникает скачкапотенциала, необходимого для возбуждения волны ионизации. В таких условиях фронтволны ионизации может не сформироваться, что подтверждается отсутствием оптическогосигнала от ВИ при задержках Δt ≤ 4 - 5 мс.
С другой стороны, высокая плотность электронови обусловленный ими заряд стенки концентрирует приложенное поле внутри трубки и108создает однородные по длине плазму и поле, аналогично тому, как это происходит вположительном столбе разряда. В такой ситуации разряд может формироваться за счетионизации во всем объѐме, а не в результате прохождения ВИ.На основании предположения об однородности поля вдоль всей трубки удаетсявоспроизвести временнýю зависимость предпробойного тока, значительная величинакоторого характеризует область малых задержек (рис. 5.14 и рис.5.23) при небольших dU/dt.На рис. 5.31 показан начальный участок такой зависимости , рассчитанный для Δt = 1.5 мс иdU/dt = 1.3·107 В/с.
Начальная концентрация электронов бралась равной 3∙108 см-3, чтосоответствуетуказанному интервалу между импульсами (см. рис. 5.30). Наблюдаетсяудовлетворительное согласие расчетной и экспериментальной кривых.1091088i, мАne, см-361047210600246810t, мсРис.5.30 [58] Зависимость концентрацииэлектронов от времени в плазмепослесвечения азота. Момент времени t = 0соответствуетокончаниюразрядногоимпульса. Длительность импульса 10 мс,ток в импульсе 8.5 мА, давление газа 1Тор.0.160.180.200.220.240.26t, мсРис.
5.31 p = 1 Торр. Начальный участокзависимости тока от времени во второмимпульсе для dU/dt = 1.3·107 В/с. Тонкаялиния – эксперимент для Δt 1.5 мс, жирнаялиния – расчет с начальной концентрациейэлектронов 3∙108 см-3.На рассматриваемой кривой можно выделить три участка: область медленного роста,область плато и область быстрого роста. Первые два участка соответствуют движениюэлектронов, оставшихся после предыдущего импульса. Медленный рост тока обусловлентем, что скорость дрейфа электронов растет с возрастанием напряженности поля. В областиплато становится заметным уход электронов из объема, главным образом в результатеамбиполярной диффузии (как следует из расчетов, при меньших значениях dU/dt, порядка106 В/с, вместо плато появляется максимум, а после него минимум).
Наконец, придостижении напряжением достаточно большой величины включается ионизация, иконцентрация электронов экспоненциально нарастает (область быстрого роста тока).109Возможна ситуация, описанная выше (п.5.5.4) для одиночных импульсов с малой крутизнойфронта, когда в процессе дрейфа все электроны покидают разрядный объѐм. Иллюстрацияэтого эффекта для пробоя парами импульсов при заземленном аноде приведена на рис.5.22.Из осциллограмм видно, что в первые моменты времени после приложения разрядногоимпульса наблюдается небольшой всплеск тока, сменяемый затем полным его отсутствием.При увеличении dU/dt до 3,6∙106 В/с электроны не успевают уйти до включения ионизации, ивновь воспроизводится структура сигнала с плато.Так как при минимальных задержках пробой происходит в присутствии большогоколичества заряженных частиц, то напряжение зажигания второго импульса лишь немногоотличается от напряжения горения установившегося разряда (рис.5.13).
Увеличениеинтервала между импульсами (от Δt = 0,5 до 4 мс) приводит к постепенному повышениюпробойного напряжения второго импульса с переходом в аномальный эффект памяти. Ростнапряжения может быть связан с тем, что при увеличении Δt падает концентрацияостаточных электронов. При этом асимптотическое значение Ub (Ub∞) в отсутствии ВИдолжно быть довольно большим. Действительно, статическое напряжение пробоя в азоте вполе между двумя плоскими электродами, размер которых L>>d, где d −расстояние междуними, при pd = 40 Торр∙см равно Ub =2900 В [57]. В нашем случае, напротив, L<<d, чтодолжно привести к росту пробойного напряжения из-за поперечной диффузии электронов[36].
Кроме того, переход от статического пробоя к динамическому также ведет кповышению напряжения. Т.о., полученное в эксперименте максимальное значение Ubсущественно меньше, чем Ub∞. Поскольку в области максимума Ub появляется ВИ, логичнопредположить, что ограничение роста Ub при увеличении Δt связано именно с ней.
Другимисловами, ВИ понижает пробойное напряжение.Можно указать на следующие факторы, способствующие этому. (1) ВИ генерируетсяпри пробое между высоковольтным электродом и ближайшим участком стенки. Для этогоинициирующего разряда величина pd значительно меньше, чем для основного разряда. (2)Благодаря большому градиенту потенциала на фронте ВИ, она является эффективнымисточником ионизации. Из-за резко нелинейной зависимости константы скорости ионизацииот величины E/N разряду, с точки зрения эффективности ионизации, «выгоднее»сосредоточить градиент потенциала в узкой области, чем «размазать» его по всей длинепромежутка (аналог ‒ область катодного падения или головка страты). (3) Благодаря ВИ,формирование тлеющего разряда начинается с достаточно большого количества заряженныхчастиц в промежутке.
Это исключает из процесса пробоя фазу темного таунсендовскогоразряда с высоким межэлектродным напряжением [4].1105.5.6. Эффект памяти для волны ионизацииВолны ионизации начинают регистрироваться сразу после максимума аномальногоэффекта памяти. Вначале, в небольшом интервале Δt, наблюдались пробои как без волныионизации, так и с ее участием; в ряде случаев не удавалось фиксировать отчетливыйоптический сигнал от фронта ВИ. Дальнейшее повышение задержки приводит к пробоямисключительно с ВИ.Эффект памяти для волны ионизации проявляется в следующем: 1) при наименьшихинтервалах между импульсами генерация волны подавляется; 2) скорость ВИ, возникающейпри некоторой задержке Δt после предыдущего разряда, зависит от величины этой задержки.Иллюстрацией этих утверждений служат графики рис.5.21 для высоких dU/dt и рис.5.20 длянизких.Ранее (п.5.3) отмечалась связь между напряжением пробоя и скоростью ВИ, котораянаблюдалась при исследовании зажигания трубки одним импульсом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
