Диссертация (1150471), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Стоит отметить, что эффект наблюдался, если период повторения38разрядных импульсов был не менее 10 мс (в смесях было достаточно 1 мс). В дальнейшемэффект был обнаружен и исследован в аргоне [49] и в неоне [50].Эффект, сходный с эффектом ТФ, наблюдался в разряде постоянного тока последополнительного возбуждения плазмы высоковольтным наносекундным импульсом [51, 52].В работах [48–52]были предложены также расчетные модели, которыевоспроизводят указанный эффект и дают удовлетворительное количественное описаниеэкспериментальныхрезультатов.Былоданоследующеекачественноеобъяснениенаблюдаемым явлениям. В инертных газах одним из основных каналов ионизации являетсяпроцесс:А* + А* А + А+ + e(1)→ А2+ + е,где А* – атом в метастабильном состоянии.
В начале разрядного импульса, когда ток в цепимал, падение напряжения на разрядном промежутке велико и поле в нем значительнобольше, чем в установившемся разряде. Это вызывает интенсивное возбуждениеэлектронных уровней атомов, за счет чего формируется начальный пик яркости.Одновременно нарабатывается избыточное (по отношению к стационарному) количествометастабильных атомов, что приводит к повышенной скорости ионизации за счет процессов(1). В результате концентрация электронов в плазме может превышать стационарноезначение. Это приводит к перераспределению напряжения между разрядным промежутком ибалластным сопротивлением, и электрическое поле в разряде падает значительно нижесвоего стационарного значения.
В этом слабом поле скорость возбуждения электронныхуровней и, соответственно, интенсивность излучения очень мала, т.е. наступает «темная»фаза разряда. Ее длительность определяется временем жизни избыточных электронов вплазме. При относительно низких давлениях основным каналом гибели электронов являетсяамбиполярная диффузия. В пониженном поле скорость амбиполярной диффузии мала, такчто длительность ТФ может заметно превышать время распада метастабильных атомов.В атомарном газе с легкоионизуемой примесью эффект темной фазы можетсуществовать благодаря реакции Пеннинга:А* + М А + М+ + e,(2)где М – молекула (атом) примеси.Кроме того, как следует из расчетов, наряду с процессами (1, 2), возникновениюописываемого эффекта способствуют и процессы ступенчатой ионизации39А* + е → А + е + е.(3)Известно [53], что в плазме положительного столба тлеющего разряда в азотесущественную роль в ионизационном балансе могут играть процессы ассоциативнойионизации молекул в метастабильных состояниях N2( A3u ) и N2( a1u )N 2 (a 1 u , A3 u ) N 2 (a 1 u ) N 4 e.(4)По сути, процессы (4) в азотной плазме являются аналогом процессов (1) в плазме инертныхгазов.
Таким образом, можно ожидать образование темной фазы в азоте, происходящей поописанной выше схеме. Однако, представленные ниже результаты исследований ТФ в азотевыявили ряд существенных особенностей появления эффекта в азоте. Во-первых, былаобнаружена зависимость возникновения ТФ от полярности напряжения источника. Вовторых, построенная расчетная модель показала, что реакция (4) не приводит к образованиюна переднем фронте разряда избыточной, относительно стационарной, концентрацииэлектронов, необходимой для формирования ТФ. Как будет показано далее, в этом случаевозможен альтернативный реакциям (1 - 4) механизм, связанный с ВИ.3.2.
Наблюдение эффекта.3.2.1.Эффект наблюдался при пробоях импульсами напряжения с частотой 5 Гц как слинейно растущимфронтом, такис«экспоненциальным» (заряд емкости),носистематические исследования проводились только для последнего.Представленные ниже кривые временного хода интенсивности излучения разряда вазоте демонстрируют зависимость развития его начальной стадии от полярностиприложенного напряжения.
На рис. 3.1 верхний график получен при положительнойполярности напряжения (заземленный катод), нижний график отвечает отрицательнойполярности напряжения (заземленный анод). Из графиков видно, что при пробое сзаземленным катодом после первичного узкого пика отчетливо видна область отсутствиясвечения (темная фаза), длительность которой в данном примере составляет 200 мкс.В случае пробоя при заземленном аноде наблюдается широкий максимуминтенсивности, после которого следует лишь незначительное ее снижение с последующимвыходом на стационарное значение.При проведении осциллографирования тока в цепи заземленного электрода i0 инапряжения на трубке Uт в области ТФ наблюдались характерные особенности.40При положительной полярности прикладываемого напряжения (рис.3.2) на переднемфронте импульса разрядного тока в момент регистрации начального пика яркостинаблюдается узкий выброс, амплитуда которого превосходит ток в установившемся разряде.интенсивность, отн.ед.0,040,020,000,00,150,20,40,60,81,00,20,40,60,81,00,100,050,000,0t, мсРис.
3.1 Интегральная яркость излучения в начальной стадии тлеющего разряда в азоте.Давление 1Торр, Rб= 260 кОм,U0= +3,2 кВ(верхний график), -3,2 кВ(нижний график),период повторения импульсов 200мсРелаксация тока к стационарному значению происходит через область плато, уровенькоторого значительно ниже амплитуды выброса, но немного выше стационарного.Длительность плато на осциллограмме тока совпадает с длительностью темной фазыОдновременно на осциллограмме межэлектродного напряжения виден провал после моментапробоя с монотонным выходом на стационарное значение за время ТФ. На рис.
3.2представлены синхронные осциллограммы интегральной яркости разряда, тока в цепи анодаи межэлектродного напряжения для разряда в азоте при давлении 1Торр. Штрихпунктирными линиями указаны примерные границы темной фазы, провала напряжения иобласти плато на разрядном токе.При отрицательной полярности прикладываемого напряжения в азоте темная фаза ненаблюдается при тех же условиях, когда она регистрируется при положительном,относительно земли, напряжении источника.
Также не наблюдаются узкие выбросы тока вцепи заземленного анода и провалы на напряжении (рис.3.3).интенсивностьотн.ед.i, мАUтруб, кВ412,01,81,61,41,21,00,80,60,40,20,040353025201510500,060200400600800100002004006008001000020040060080010000,040,020,00t, мксРис. 3.2 Синхронные осциллограммы напряжения на трубке, разрядного тока иинтегральной яркости при заземленном катоде. p = 1Торр, Rб= 260 кОм, U0= 3,0 кВ,период повторения импульсов 200 мс.2500U, кВ200015001000500интенсивность,отн.ед.i, мА08765432100200400600800100002004006008001000020040060080010000,160,140,120,100,080,060,040,020,00t, мксРис.3.3 Синхронные осциллограммы напряжения на трубке, разрядного тока иинтегральной яркости при заземленном аноде.
Условия те же, что на рис.3.2.Вернемся к случаю разряда с заземленным катодом. При помощи схемы оптическойрегистрации, имевшей два световода, расположенных на расстояниях 12 см и 28 см отвысоковольтного анода, было установлено, что длительность паузы свечения не одинаковапо длине трубки.На рис.3.4 представлены результаты оптических измерений интенсивности излученияв двух разнесенных вдоль оси трубки точках при давлениях 0,5 Торр, 1,6 Торр и 2 Торр.Графики (рис.3.4 а и в) получены при близких значениях разрядного тока 14 – 15 мА, для42графика (рис.3.4 б) величина разрядного тока составляет примерно 8 мА.
При сравненииграфиков (а) и (в) видно, что при давлении 0,5 Торр длительность ТФ больше у катодногоконца трубки. При увеличении давления в 4 раза ситуация меняется, и более длительнаятемная фаза регистрируется около анода. Таким образом, при пониженных давлениях фронтсвечения установившегося разряда распространяется от анода к заземленному катоду, а приповышении давления фронт распространяется от катода к аноду. График для 1,6 Торрполучен для вдвое меньшего тока, но можно заметить, что длительность ТФ выравниваетсядля точек (1) и (2), демонстрируя промежуточную ситуацию.0,120,140,10интенсивность, отн.ед.20,1210,100,080,060,040,0820,060,0410,020,020,000200400600t, мкс(а)02004006008001000t, мкс(б)Рис.3.4 Темная фаза разряда в азоте,фиксированная в двух точках вдоль оситрубки: (1) 12 см от анода, (2) 28 см отанода.
а) 0,5 Торр, Rб= 250 кОм, U0=3,8 кВ;б) 1,67 Торр, Rб=520 кОм, U0= 4,0 кВ;в) 2 Торр, Rб= 250 кОм, U0 = 3,6 кВ, периодповторения импульсов 200 мс.(в)В случае заземленного анода, когда не наблюдается темная фаза, не удается заметитьзависимость временнóго хода яркости свечения разряда от продольной координаты. Другимисловами, яркость свечения меняется синхронно по всей длине трубке.Величина разрядного тока влияет на длительность эффекта.
Ниже (рис. 3.5)приведены графики зависимости длины ТФ от величины тока на уровне плато для трехдавлений. Они показывают, что во всех случаях длительность эффекта убывает с ростомтока, но возрастает с увеличением давления.430,5Торр, 12см1,6Торр, 12см2,0Торр, 12см2,0Торр, 28см0,5Торр, 28см1,6Торр, 28смДлительность темной фазы, мкс700600500400300200100456789101112131415i, мАРис.3.5. Зависимости длительности темной фазы от величины разрядного тока при трехразличных давлениях и различных расстояниях от анода. Белые точки соответствуютизмерениям в точке на расстоянии 12 см от анода, черные ‒ 28 см3.2.2.
Таким образом, новой, не отмеченной в прежних исследованиях ТФособенностью, оказалась зависимость наблюдаемой картины от полярности приложенногонапряжения. В связи с этим мы проанализировали предыдущие работы, в которыхисследовались инертные газы. В работе [48] измерения проводились при заземленном катодетрубки, а в работе [49] исследования проводились при заземленном аноде. В работе [50]использовался как один, так и другой вариант подключения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
