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

ряженных частиц (а вместе с пей и температуры электронов), время которой для аргона почти в 300 раз больше, состав­ ляет ~ 10-Dсек. Наконец, оценим время релаксации кон­ центрации заряженных частиц по модели Бейтса [15]. Временное изменение плотности электронов при пренебре­

веденные расчеты дают также оценку и длительности им­ пульса тока, необходимой для достижения плазмой квазнстационарного состояния. Эта величина должна состав­ лять около 10-5 сек.

Итак, длительность квазнстацпонарной стадии разряда

зованной плазмы. Время фронтов импульса должно быть не более 10_6 т е для исследования функции распределения электронов в слабоиоиизованнон плазме и такого же по­ рядка для изучения релаксации температуры тяжелых час­ тиц в енлы-юионизованной плазме.

§ 1.2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСА ТОКА

Если выполнение первого условия, сформулированного выше, удается легко реализовать, то для удовлетворения второго условия требуются специальные меры. В частности, формирование высокочастотного импульса с запуском гене­ раторных ламп резким включением анодного напряжения, часто применяемое на практике (см., например, [33]), здесь непригодно, так как время «раскачки» ламп составляет 5—10 мксек. Поэтому в описываемой ниже эксперименталь­ ной установке для получения слабоионизованной плазмы была специально разработана схема сеточного управления генераторных ламп, включающая задающий генератор типа Г5—7А и усилитель мощности запускающего импульса. В результате продолжительность переднего фронта состави­ ла ~ 0,5, а заднего — около 1,5 мксек, что удовлетворяет

27

требованиям, предъявляемым к установке для изучения релаксации функции распределения электронов по энер­ гиям (см. расчет в § 1.1).

Для формирования слаботочного импульса тока доста­ точно обычных электронных импульсных генераторов, за­ дающих необходимую длительность импульса. В то же время получение импульсов большого тока в сотни и тысячи ампер сопряжено со значительными трудностями. Исполь­ зование электронных приборов допустимо лишь на пер­ воначальных стадиях формирования импульса. Схема фор­ мирования должна, кроме того, включать накопительные и коммутирующие устройства, снабженные запускающими или поджигающими блоками. В качестве накопителя энергии можно использовать батарею конденсаторов, индуктивность или инерционный электромеханический агрегат, представ­ ляющий собой якорь мощного электрогенератора, раскру­ ченный мотором до большого числа оборотов, клеммы кото­ рого замыкают практически накоротко [48]. Более экзо­ тическими методами является использование энергии взры­ ва [49] пли энергии емкости со сжатым газом (горючей смесью) [50]. Коммутирующими устройствами обычно слу­ жат мощные электронные и ионные приборы — импуль­ сные тиратроны, игнитроны, ртутные вентили, а также ваку­ умные разрядники, разрядники высокого давления. Меха­ нические размыкатели, контакторы, вакуумные выключа­ тели и т . п. устройства для формирования импульсов тока с целью изучения релаксации в газе непригодны, так как время срабатывания их не меиее 10~4 сек (сравните резуль­ таты оценок, проведенных выше). Схема получения перио­ дически следующих импульсов напряжения, в которой использованы импульсные тиратроны типа ТГИ, ТГИ-400 или ТГИ-700, описана в работе [51]. Конденсаторная бата­ рея, заряжаемая до 4—5 кв, начинает' разряжаться через один из тиратронов; спустя заданное время, определяемое длиной импульса, управляющая схема запускает второй тиратрон, установленный в схеме гашения первого. Зажи­ гание второго тиратрона приводит к снижению анодного напряжения первого тиратрона до нуля на период времени, достаточный для деионизации газа и восстановления его электрической прочности. В результате батарея накопи­ тельных конденсаторов разряжается лишь частично в тече­ ние времени импульса. Это дает возможность получать периодически следующие импульсы напряжения длитель­ ностью от 20 до 1000 мксек с частотой повторения до 50 гц

28

при относительно малой мощности зарядногоустройства.

Однако описанная схема практически непригодна для полу­ чения импульсов тока с амплитудой более 100 а, вследствие весьма тяжелого режима работы катодов импульсных тира­ тронов*, рассчитанных на длительность импульсов порядка 1 мксек. Оценки, проделанные выше, показали, что подобная длительность импульса тока мала для изучения релакса­ ции в газе, и необходимы времена не менее 100—1000 мксек.

приводит к необходимости полностью разряжать накопи­ тельное энергетическое устройство, что обусловливает либо отказ от периодической работы установки, либо оснаще­ ние ее мощным зарядным устройством. Зато способность разрядника пропускать весьма большой ток (до 107 а), низкое напряжение и малое время срабатывания (единицы наносекунд), малая собственная индуктивность (десятки сантиметров) и простота конструкции с лихвой окупают упомянутые недостатки. Очень удобны дисковые вакуумные разрядники, разработанные и тщательно исследованные в ИАЭ им. И. В. Курчатова [52].' Разрядник представляет собой систему дисков с цилиндрической полостью между ними, откачиваемой форвакуумным насосом. В зависимости от величины требуемого обратного напряжения число дис­ ковых промежуточных перегородок меняется, увеличи­ ваясь с ростом напряжения. Например, для £/обр = 50 кв необходим . пятисекционный разрядник. Качество работы разрядника сильно зависит от давления остаточного газа и резко ухудшается с повышением его [52]. После каждой переборки разрядника необходима так называемая «трени­ ровка», т. е. проведение серии повторяющихся срабатываний с постепенно увеличивающимся напряжением на полюсах разрядника.

Для поджигающего устройства обычно используют усилитель мощности на водородных тиратронах типа ТГИ1-400/16. В качестве накопительной емкости удобно при­ менить отрезок коаксиального кабеля с вспомогательным

* То же относится в известной мере и к ионным выпрямителям (например, ртутным), работающим в импульсном режиме. К этому

добавляется еще опасность обратных зажиганий.

29

разрядннком-обострителем. Это дает возможность сфор­ мировать короткий мощный импульс поджигающего тока с длительностью фронта порядка наносекунды, что важно для обеспечения быстрого срабатывания разрядника. Дис­ ковый осесимметричный вакуумный разрядник хорошо сог­ ласуется с коаксиальной системой энергопитания разрядной трубки, малая величина индуктивности которой, включая саму трубку, практически целиком определяет крутизну фронтов импульса тока.

Для формирования импульса большого тока прямоуголь­ ной формы используют в основном два метода: формирую­ щую линию и выделение квазппрямоуголыюго импульса из временной зависимости разряда большой емкости. Форми­ рующую линию образуют комбинацией параллельных емко­ стей и последовательно включенных индуктивностей. Ис­ ходя из необходимой длительности прямоугольного им­ пульса, параметры формирующей липни определяют по

к звеньев в линии. Следовательно, длительность импульса жестко связана с номиналами звеньев л и н и и и сопротивле­ нием нагрузки. Для исследования релаксации в различных газах это неудобно, так как придется перестраивать линию при переходе с одного газа на другой. Более серьезным недостатком линии при использовании ее для импуль­ сного газового разряда является затянутый задний фронт импульса, возникающий вследствие несогласованности пе­ ременного сопротивления разрядной трубки, зависящего от свойств плазмы, и волнового сопротивления линии. Кроме того, конструктивно выполнить индуктивности на боль­ шие токи сложно из-за значительных электродинамиче­ ских сил.

Второй метод получения прямоугольных импульсов большого тока заключается в выделении начальной части временной зависимости разряда емкости. Общее время раз­ ряда, как известно, порядка RC, где сопротивление контура разряда R и емкость батареи конденсаторов С выбирают так, чтобы t„ <4 RC. Длительность получающегося квазипрямоугольного импульса при заданной величине снижения

30

лена начальным напряжением заряда емкости Un п пол­ ным сопротивлением разрядной цепи Rz (рис. .1.2):

Для уменьшения спада амплитуды при заданном на­ чальном напряжении Ua и необходимом токе / макс следует

увеличивать емкость батареи^Длительность переднего фронта импульса определяется выражением

включая собственную индуктивность батареи конденсато­ ров. Для снижения ^п.(|, выгодно работать с минималь­ ной Ls. Основной вклад в Ls обычно дают индуктивности конденсаторов, нагрузочного сопротивления и разрядной трубки. Собственную индуктивность конденсаторов можно снизить, лишь применяя малоиндуктивные емкости, изго­ тавливаемые специализированными предприятиями. Кон­ денсаторы на более высокое напряжение обладают, как правило, большей индуктивностью из-за роста линейных размеров. Уменьшить индуктивность нагрузочного сопро-

31

тивления трудно, так как сопротивление, рассчитанное на большие токи (даже импульсные), должно обладать боль­ шим поперечным сечением, чтобы выдержать сильные теп­ ловые нагрузки. Сопротивления обычно изготавливают из нихромовой проволоки диаметром 1—2 мм, намотанной бифнлярной или «восьмерочной» намоткой. Для снижения индуктивности разрядной трубки ее выполняют осесиммет­ ричной и коаксиальной по отношению к подводящим ток проводам (см. ниже, рис. 1.6). Последние снова для сниже­ ния индуктивности делают в виде системы параллельных коаксиальных кабелей.

Для выделения импульса тока служат коммутирующие устройства. Первое из них при срабатывании начинает разряд емкости через нагрузку (см. рис. 1.2), второе шунти­ рует цепь разряда, прерывая ток при гашении управляемо­ го коммутатора (тиратрона, игнитрона и т. п.) или на­ правляя его по шунтирующему контуру мимо разрядной трубки. Время заднего фронта получающегося импульса на трубке определяется временем затухания тока в контуре, содержащем оба разрядника, дополнительное сопротивление и разрядную трубку:

сопротивление плазмы, образующейся при сильноточном разряде, составляет не более 0,01—0,1 ом. Сопротивления

ким образом, амплитуда тока и длительность переднего фронта импульса зависят от суммы {R-i + Rn), а длитель­ ность заднего фронта — только от Rx. Отсюда ясна роль этого сопротивления: оно введено для снижения времени заднего фронта, что важно для исследования релаксации плазмы после обрыва тока в отсутствие электрического поля. Отметим, что в описанной схеме выделения прямо­ угольного импульса тока через разрядник ток проходит лишь в течение основного импульса тока; во время шунти­ рования, продолжительность которого много больше вре­ мени импульса, ток идет лишь через шунтирующий разряд­ ник. Подобная схема включения позволяет ликвидировать напряжение ~ 40 в на электродах разрядной трубки, кото­ рое имеется на шунтирующем разряднике в течение разряда батареи конденсаторов. Таким образом, плазма во время распада свободна от внешнего электрического поля.

32

Из выражений (1.2) — (1.4) следует, в частности, что для получения импульсов тока большой амплитуды с кру­ тыми фронтами целесообразно повышать начальное напря­ жение, т. е. работать с высоковольтными малоиндуктив­ ными конденсаторами.

Конструкция разрядной трубки также должна удовлет­ ворять ряду условий, обеспечивающих выполнение тре­ бований, сформулированных в § 1.1. Однородности плазмы по одной из координат чаще всего удобнее достичь вдоль оси цилиндрической трубки. Длина трубки должна быть велика по сравнению с диаметром ее и по отношению к ха­ рактерным длинам областей неоднородности у электродов трубки — при электродной системе. Для проведения точ­ ных спектральных наблюдений и измерений параметров газоразрядной плазмы канал разряда должен быть осесим­ метричным и свободным от неустойчивостей и колебаний. В связи с этим расположение электродов и подводящих проводов к разрядной трубке должно быть строго коакси­ альным для устранения магнитного отжатия канала тока к одной из стенок [44]. Электроды должны по возможности занимать все сечение торцов трубки. Боковое расположе­ ние электродов неизбежно приведет к воздействию собст­ венного магнитного поля на канал тока и нарушению осесимметрпи. В то же время конструкция трубки должна допу­ скать как радиальное, так и осевое наблюдение плазмы. Для ряда спектральных методов диагностики желательно сквозное осевое наблюдение.

Требование устранения примесей к исследуемому газу также может быть выполнено при помощи рациональной конструкции трубки и системы откачки и наполнения газом. Трубка должна допускать проточный режим работы, регу­ лировка которого обеспечивается установкой по крайней мере двух натекателей до и после трубки. Система наполне­ ния и откачки газа должна быть снабжена осушающими, вымораживающими и очищающими устройствами во избе­ жание попаданий паров воды, масла и других посторонних примесей в полость разрядной трубки.

§ 1.3. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Слабоионнзованную плазму получали при помощи вих­ ревого импульсного высокочастотного разряда. На рис. 1.3 изображена принципиальная схема высокочастотного гене­ ратора на лампах Г-811 и усилителя мощности. Анодное

напряжение ламп составляло 1—2 кв и подавалось от тща­ тельно задемпфированного выпрямителя. Частота высоко­ частотного напряжения 35 Мгц. Пятивитковый индуктор, выполненный из медной неохлаждаемой трубки, размещали на длине около 100 мм (рис. 1.4). Стеклянная разрядная трубка диаметром 50 и длиной 350 мм при помощи торцевых фланцев присоединялась к системе откачки и наполнения исследуемым газом, включающей форвакуумный и диф­ фузионный насосы. Полость трубки откачивали до давле-

Рис. 1.3. Принципиальная схема ВЧ-геператора и усилителя мощности.

ния 5 • ІО-1 mopp, затем краном-натекателем, соединен­ ным с емкостью, содержащей исследуемый газ, устанавли­ вали требуемое давление. Частоту следования высокоча­ стотных импульсов, задаваемую генератором Г5-7А, могли менять от 5 до 50 гц. Следовательно, время между им­ пульсами по крайней мере в десять раз превышало время самого импульса. Это сделано с той целью, чтобы парамет­ ры газа к началу каждого последующего импульса были идентичными и соответствовали холодному газу.

Параметры импульсов высокочастотного поля измеряли поясом Роговского и магнитным зондом. Ток индуктора под­ держивали в пределах 4—5 а; мощность генератора состав­ ляла 800 вт. Осциллограмма тока индуктора, полученная фотографированием с экрана осциллографа С1-8, приведена на рис. 1.5. Время экспозиции составляло не менее 1 сек. Как видно из осциллограммы, параметры импульса ста-

34

Таким образом, свойства силыютюннзованной плазмы изучали при квазппостояином токе. Для формирования прямоугольного импульса большого тока использовали кон­ денсаторную батарею емкостью 2200 мкф и два коммути­ рующих вакуумных дисковых разрядника. Длина квазипрямоуголыюго импульса тока определялась промежутком времени между моментами запуска разрядников — вклю­ чающего и шунтирующего. После подачи поджигающего импульса на включающий разрядник ВР конденсаторная

Рис. 1.6. Конструкция разрядной трубки для создания сплыюноиизовашіоп плазмы. Стрелками показано направ­ ление тока.

ния разрядной трубки, амплитуда тока была задана вели­ чиной (Дх Ң- Rn) — режим генератора тока.

В табл. 1.1 приведены параметры импульсов, получае­ мых при помощи описанного генератора. Таким образом, длительность фронтов импульса тока составляла (1—5)Х X 10~Gсек. В табл. 1.1 приведены также значения макси­ мальных токов, которые можно получить на установке при допущении 10%-ного спада тока в течение импульса задан­ ной длительности. Легко видеть, что установка позволяла работать с длительностями импульса около 10-5 сек при токах до 12 ка, а при длительности 50 мксек — до 24 ка.

36