книги из ГПНТБ / Малкин, О. А. Импульсный ток и релаксация в газе

ные виды релаксации' [19]. Однако для изучения иониза­ ционной релаксации ударная труба недостаточно удобна.

установки. В частности, необходимы система высокого дав­ ления для толкающего газа (вплоть до 2000 атм), система приготовления тройных и более смесей, в том числе взры­ воопасных со значительным содержанием водорода и кис­

волны вносит также усложнения и принципиального харак­ тера: растет влияние пограничных слоев, что вынуждает переходить на большие диаметры трубы; снижается длина «пробки» нагретого газа, что повышает требования к раз­ решающей способности регистрирующей аппаратуры; излу­ чение ударно нагретого газа существенно изменяет пара­ метры исследуемого газа перед фронтом ударной волны, что сильно затрудняет расчет параметров газа во фронте и за фронтом волны, а зачастую делает его практически невоз­ можным; значительно увеличивается влияние примесей со стенок трубы, так как энергия ионизации примесей, как правило, меньше энергии ионизации исследуемого газа.

Несмотря на все перечисленные трудности, в ударных трубах не удается достичь скорости волны более 30—40 звуковых [19], что соответствует равновесной температуре газа kT — 1-=-2 эв*. Наконец, отметим, что появление за­ ряженных частиц в газе, нагретом ударной волной,— самый длительный процесс, протекающий в атмосфере горячих тяжелых частиц. Ввиду малого начального количества заря­ женных частиц появление их зачастую обусловлено слож­ ным комплексом физических процессов; в большинстве из которых первоначально электроны вообще не участвуют — столкновения нейтральных частиц друг с другом, фотоио­ низация газа опережающим излучением, фотоионизация

* В последнее время появились сообщения [27] о том, что при помощи двухдиафрагменной ударной трубы удалось повысить температуру газа j a отраженной ударной волной до 3 эв,

18 ■

зультаты которой удовлетворительно удалось объяснить лишь через несколько лет [24]. Тем не менее на ударных трубах были проведены отличные работы [25, 26 и др. 1 по исследованию неравновесной ионизации, результаты которых весьма важны для понимания физических про­ цессов в слабоноиизованном газе.

Наиболее распространенным методом получения плазмы является газовый разряд. Многочисленные исследования газоразрядной плазмы показали [21—23 н др.], что пара­ метры ее можно варьировать в широких пределах по тем­ пературе и степени ионизации. Максимальная температура, полученная для стационарной дуги малого диаметра (около 1 мм), составляет около 5 эв [28]. В мощных импуль­ сных электрических разрядах при термоядерных исследо­ ваниях достигнуты температуры порядка 1000 эв [183]. Степень ионизации плазмы здесь, разумеется, равна еди­ нице. В то же время в плазме газовых разрядов при пони­

сующего нас диапазона температур и степеней ионизации газовый разряд вполне применим. К сожалению, этот метод не свободен от серьезного недостатка — неоднородности свойств плазмы по объему. Особенно сильно проявляется пространственная неоднородность у плазмы высокотемпе­ ратурных стабилизированных стационарных дуговых .раз­ рядов; упомянутая выше дуга малого диаметра обладает градиентом температуры до ~ ІО6 °К • см-1. При столь резких изменениях свойств плазмы трудно эксперименталь­ но определить параметры плазмы и описать ее состояние вследствие нарушения равновесности процессами переноса. Помимо неоднородности по объему плазма газового разряда зачастую бывает подвержена неустойчивостям, колебаниям, пульсациям и т. п., избавиться от которых удается не во всех случаях и лишь при помощи специальных мер. Нако­ нец, плазма газового разряда часто содержит в своем со­ ставе примеси материала электродов (для разрядов между электродами) или стенок трубки. От последнего недостатка практически свободна плазма безэлектродных высокоча­ стотных разрядов 129—33].

В настоящее время используют в основном две схемы под­ ведения высокочастотной энергии к газу: линейный (емко­ стной) и вихревой (индукционный) разряды. Линейный высокочастотный разряд (или Л-разряд) образуется между

19

двумя или несколькими металлическими кольцевыми индук­ торами, располагаемыми близ разрядной трубки. Разряд получил свое название из-за того, что электрический ток в каждый момент времени течет вдоль линии, соединяющей места разрядной трубки, у которых размещены индукторы. Диапазон рабочих режимов Д-разряда по выделяемой мощ­ ности в плазме ограничен малой емкостной проводимостью газа при рабочих частотах высокочастотных генераторов 10° — 108 гц. Поэтому ток Д-разряда обычно не превышает нескольких ампер, что сужает диапазон режимов и по дав­

3

Рис. 1.1. Схема Бііхревого высокочастотного разряда:

/ — генератор; 2 — индуктор; 3 - - разрядная трубка.

лению среды, в которой развивается разряд (не более ІО-2— ІО-1 атм). Кроме того, недостаточно изучен импульсный режим Д-разряда, необходимый для исследования кине­ тических характеристик слабоионизованной плазмы.

Вихревой высокочастотный разряд возникает в трубке, окруженной соленоидалы-іым индуктором (рис. 1.1). Иногда разряд носит название кольцевого или Н-разряда, что объясняется кольцевой формой токов в плазме. Вихревой разряд широко применяется в весьма обширном диапазоне режимов при давлениях от 0,01 mopp до 20—50 атм для самых разнообразных целей. Изучению электрических,, макроскопических и гидродинамических свойств плазмы, возникающей в вихревых высокочастотных разрядах, горел­ ках и плазмотронах, посвящено много работ 129—33]. Од­ нако до последнего времени не проводились работы по вы­ явлению микроскопических параметров плазмы высоко­ частотного Н-разряда, в том числе такого важнейшего пара­ метра, как функция распределения электронов по энер­

20

гиям, а также по исследованию релаксационных процессов при резких изменениях высокочастотного электрического поля. В то же время из общих соображений ясно, что вследствие большой напряженности вихревого электриче­ ского поля (по данным работы [33], вып. 1, с. 27 эта вели­ чина достигает 8—10 в - с а г 1) диапазон энергий электро­ нов в подобных условиях значительно шире, чем в плазме тлеющего тока, где напряженность поля редко превы­ шает 1—3 в-слг1.

Итак, вихревой высокочастотный разряд можно считать технически хорошо отработанным и широко применяемым средством получения слабоионизоваиной плазмы. В то же время параметры плазмы такого разряда в квазистационарном режиме находятся в требуемом диапазоне степеней иони­ зации, эффективных температур электронов, давлений и линейных размеров плазмы. Действительно, концентрация электронов по запиранию СВЧ-сигнала оценена значением п в = 1012 см~3, а температура электронов из зондовых измерений — около 8 эв [33]; давление плазмы было 0,1 торр\ диаметр плазменного цилиндра составлял около 5 см. Следовательно, степень ионизации газа была порядка

10-4 — 10_3, 1 см, а kTcЭфф äs 10 эв. Таким образом,

плазма вихревого высокочастотного разряда по своим пара­ метрам вполне пригодна для решения поставленной задачи.

Выше были рассмотрены свойства стационарного газо­ вого разряда. Для исследования релаксирующей плазмы он непригоден. Разберем теперь методы получения плазмы газового разряда в импульсных условиях. Импульсный электрический ток в газе начали применять и изучать срав­ нительно недавно, тем не менее диапазон его применения весьма широк — от импульсных сварочных или электроэрозионных аппаратов до установок для термоядерных ис­ следований. Для изучения релаксации в низкотемператур­ ной плазме целесообразно применять установки с прямо­ угольными импульсами тока или напряжения.

Подобные установки дают возможность изучать не только прямые и обратные переходные процессы на фронтах им­ пульса, но и квазнстацпонарную плазму на «плато» им­ пульса. В зависимости от продолжительности импульса можно решать различные задачи. Если длительность им­ пульса порядка и более характерного времени процессов переноса взаимодействием частиц: импульса (диффузия), скорости (вязкость), энергии (теплопроводность) от цент­

21

ральных точек объема плазмы к стенкам, то можно считать, что плазма находится в квазистациоиарном режиме. Мощ­ ность импульсного разряда обычно больше, чем мощность стационарной дуги, поэтому температура плазмы здесь мо­ жет достигать 5— 10 эв. Если, напротив, время импульса меньше, чем время процессов переноса взаимодействием частиц, то теплоотвод от плазмы определяется главным об­ разом лучистым теплообменом [34, 35]. В результате про­ филь изменения параметров по сечению получается поло­ гим, т. е. плазма становится более однородной. Таким обра­ зом, плазма импульсного тока в значительной степени сво­ бодна от недостатка, присущего стационарным разрядам. Наконец, при весьма коротких импульсах — порядка вре­ мени жизни энергетических уровней газа для спонтанного излучения (т = ІО-7 -f- 10~8 сек), импульсный разряд позволяет получать резко неравновесные состояния плазмы с инверсной заселенностью не только атомных, но и высоко-

пульсных разрядов. Практически любой электрический разряд при достаточной мощности поджигающего устройства может работать в импульсном режиме. Рассмотрим лишь те из них, которые удовлетворяют сформулированным выше требованиям. С этой точки зрения надо признать неудоб­ ными электродинамические методы получения плазмы — электромагнитные ударные трубки, плазменные ускорители и т. п. [1—4]. Все они дают быстро движущуюся плазму, пространственно неоднородную, обладающую спектром скоростей по массам частиц, легко подверженную неустой­ чивостям и ппнчеванню. Кроме того, весьма трудно учесть влияние предшествующих процессов в газе перед движу­ щейся плазмой, вызванных опережающим излучением от газоразрядной и ударно нагретой плазмы. Не подходит для наших задач также импульсная капиллярная дуга [38], отличающаяся весьма большими градиентами температур по радиусу дуги (более 10“ °К • с а г 1). Кроме того, свой­ ства плазмы в такой дуге зависят от динамики испарения материала стенок, а следовательно, от крутизны фронтов и продолжительности импульса тока. Импульсный капилляр­ ный разряд с испаряющимися стенками целесообразно ис­ пользовать для исследования квазистационарных свойств плотной сильно нагретой плазмы (до 500 атм и 2 -ІО5 °К), когда длительность импульса намного превышает времена релаксации всех процессов в капилляре. Подобные разряды

22

применяют в качестве эталонного источника «черного» излу­ чения при Т -- 4 - ІО4 °К [39]. Открытый участок («факел») импульсного капиллярного разряда в квазистацпонарном режиме применяют для измерений сил осцилляторов мно­ гократно заряженных ионов при температуре до ІО5 °К [40,41].

Наиболее удобным видом импульсного электрического разряда для изучения* релаксации в плазме является им­ пульсная дуга, стабилизированная цилиндрическими стен-’* каіѵГй .""Диаметр внутренней полости цилиндра должен быть не менее 2—4 см для устранения влияния стенок. При этом продолжительность импульса тока должна быть меньше характерного времени переноса энергии диффузией или теплопроводностью, чтобы наблюдалось преобладание объ­ емных релаксационных процессов над обменом со стенками. Судя по имеющимся опытным данным 142, 43], коэффициен­

Следовательно, время диффузии на длину 1 см составляет ІО-2 — 10'3 сек, поэтому время импульса не должно пре­ вышать ІО-3 — 10'4 сек. Проведенная оценка дает верхний предел продолжительности импульсного тока для наблю­ дения объемных релаксационных процессов.

Импульсная стабилизированная дуга может быть соз­ дана в электродной и в безэлектродной системах. В первом случае для достижения однородности плазмы по длине раз­ рядной трубки, осесимметричности, устранения неустой­ чивостей и колебаний, а также макроскопических движе­ ний плазмы весьма важно расположение не только самих электродов, но и проводов, подводящих ток к электродам. Дело в том, что на поведение проводящего канала тока сильно влияют магнитные поля, создаваемые как самим каналом, так и всем контуром тока. Проведено большое количество работ по изучению так называемого Я-прижа-

работу [44]). Управляя этим явлением, можно добиться полезных эффектов — плазма, прижатая к стенке образца исследуемого материала, испаряет его и нагревает пары до светящегося состояния, что позволяет изучить химический состав и излучательную способность вещества в контроли­ руемых условиях. Используя магнитное поле контура тока, можно добиться сокращения времени горения дуги между размыкающимися контактами в линиях большого тока [45].

23

Однако для проблемы исследования плазмы большого им­ пульсного тока магнитное прижатие канала разряда являет­ ся вредным эффектом, искажающим осеснмметричность ка­ нала и усиливающим одностороннее взаимодействие его со стенкой. Отсюда ясно, что, например, П-образная форма столба тока в газе неприменима для исследования свойств квазистацпонарной и релакспрующей плазмы, так как неизбежно серьезное магнитное воздействие на плазму. Необходима строго выдержанная коаксиальность и осесимметричиость проводов, подводящих ток к трубке; сам канал разряда должен представлять собой часть коаксиального контура тока, так чтобы магнитные поля от проводов и столба плазмы по возможности максимально компенсиро­ вали друг друга [34 J. Одно из возможных конструктив­ ных решений газоразрядной камеры импульсного сильноточного разряда описано в работе [46].

Безэлектродная схема создания плазмы, стабилизиро­ ванной стенками (высокочастотный разряд) также при­ менима для исследования плазмы импульсного тока. Плазма безэлектродиого разряда практически свободна от примесей, при слабом протоке газа ■— от макроскопических движе­ ний, колебаний и неустойчивостей. Наконец, высокочастот­ ное электрическое поле легко поддается модулированию периодически следующими импульсами прямоугольной формы [33, 47]. Периодичность работы разряда значительно облегчает диагностические измерения. Таким образом, плазма, созданная импульсным вихревым высокочастотным током, также удовлетворяет сформулированным выше тре­ бованиям к методам создания плазмы и вполне применима для исследования объемных элементарных процессов в квазистационарной и релакспрующей плазме.

Итак, можно сделать вывод о том, что наиболее целесо­ образным способом получения квазистацпонарной и релаксирующей низкотемпературной плазмы является им­ пульсная электрическая дуга, стабилизированная цилинд­ рическими стенками как в электродной, так и безэлект­ родной токовых схемах при прямоугольной форме им­ пульса.

Отметим, что исследование элементарных процессов в плазме при помощи импульсного разряда можно проводить двумя путями: при наложении импульса тока или импульса напряжения. В первом случае в течение импульса сохра­ няется концентрация заряженных частиц, диаметр канала тока и плотность последнего — в квазистационарнсм сос-

24

тоянии; при развитии разряда диаметр канала и концентра­ ция заряженных частиц растут, а плотность тока снижается. При этом напряжение, сначала высокое, необходимое для мощного электрического пробоя, после зажигания разряда резко падает и остается примерно постоянным до конца импульса тока. Для изучения ионизационной релаксации удобнее использовать импульс тока, так как концентра­ ция заряженных частиц определяется главным образом

током в соответствии с выражением I = Se0neveT, где

S — площадь канала тока, а пеѵет— средняя величина произведения концентрации электронов на их тепловую скорость. Изменение тока приводит к изменению пе, что мешает отделить влияние объемных элементарных процес­ сов от воздействия внешних условий.

При приложении к газу импульса напряжения в тече­ ние разряда сохраняется напряженность внешнего электри­ ческого поля, а концентрация и температура заряженных частиц могут измениться. Такое положение удобно для изу­ чения свойств низкотемпературной плазмы, поступающей в канал магнито-гидродинамического преобразователя. Дей­ ствительно, в нем плазма находится в постоянном индуци­ рованном электрическом поле, напряженность которого задана величиной внешнего магнитного поля и скоростью протока газа: ЕІШ= сТ1 [ѵ Н].

Для определения временных параметров импульсов, применяемых при изучении квазистационарной и релаксирующей плазмы, сформулируем два очевидных условия: 1) длительность импульса должна превышать время релак­ сации плазмы к квазистационарному состоянию; 2) время фронтов импульса должно быть меньше характерного вре­ мени изучаемых релаксационных процессов. Оценим вели­ чину обоих параметров для слабо- и снльноионизованной плазмы.

В слабоионизованной газоразрядной плазме разрежен­ ного газа максимальным'временем релаксации обладают тяжелые нейтральные частицы [9]. Для оценки сверху при­ мем, что нагрев нейтралов осуществляется только упруги­ ми столкновениями с электронами. Тогда время релаксации

25

образом, т„«750 мксек. Длительность импульса на опыт­ ной установке выбрана в «е» раз большей — 2200 мксек.

Для оценки необходимой длительности фронтов им­ пульса (на уровнях 0,1—0,9 максимальной амплитуды) конкретизируем исследуемые виды релаксации. Важной задачей изучения кинетики элементарных процессов в плаз­ ме является исследование релаксации функции распределе­ ния электронов при резком изменении внешних условий — включении и выключении высокочастотного поля. С релак­ сацией функции распределения электронов неразрывно связаны неупругие процессы под действием электронного удара—возбуждение и ионизация, а также обратные процес­ сы — дезактивация и рекомбинация. Таким образом, необ­ ходимо оценить времена для упомянутых элементарных процессов. Оценки времени релаксации возбуждения и ио­ низации в слабоионизованной плазме для давления 1 mopp, kTe3фф яз 1 -f- 10 эв и степени ионизации д-„ sg; 10-3 показы­ вают, что характерное время релаксации для инертного газа составляет т„ -~ ІО-5 сек. Время релаксации функции распределения электронов оценим по формуле ТфРЭ« (б 3ффХ ХѵЭфф)-1 [131. В слабопонизованноп плазме эффективная частота соударений vB(W, nuoL.nve определяется столкнове­ ниями электронов с нейтралами. Выше эта величина была

время релаксации функции распределения электронов со­ ставит Тфрэ ІО-5 4- ІО-6 се/с...Отметим, что выполненная здесь оценка дает нижнюю границу времени релаксации, так как при ее проведении не учитывали обратные процессы: дезактивацию, рекомбинацию .и перераспределение энергии по функции распределения электронов при неупругих про­ цессах. Итак, характерное время резких изменений элек­ трического поля должно быть не более 10-G сек.

Оценим теперь продолжительность различных релакса­ ционных процессов в силы-юионизованной плазме. В работе [13] показано, что время релаксации величины (Те — Тт),

26