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

ных частиц. Проведение зондовых измерений часто невоз­ можно из-за нарушения основного условия справедливости теории зонда в плазме — гд « dc < L, где dc — толщина переходного слоя у зонда, а L — характерный размер плаз­ мы. В то же время именно в развивающейся слабоионизованной плазме толщина дебаевского слоя может быть очень большой из-за малой концентрации заряженных частиц и высоких эффективных температур электронов Тедфф =

— 2й73. Последнее объясняется высокими градиентами электрического поля, существующими в плазме из-за малых пе и низкой проводимости.

В настоящей работе проводилось исследование развития слабопонизованной плазмы аргона, созданной импульсом вихревого высокочастотного поля. Исследование вели при давлении газа от 0,02 до 1,0 mopp. В течение всего времени импульса длиной 2200 мксек осуществляли разрешенные по времени измерения напряженности продольного магнит­ ного поля, зондового тока, интенсивности спектральных линий. Попытка получить скоростную фоторегистрацию развития плазменного столба в разрядной трубке при по­ мощи прибора СФР ничего не дала из-за слабого свечения плазмы во всем исследованном диапазоне давлений. Сопо­ ставлением результатов наблюдений вдоль оси трубки на разных расстояниях от ее центра установлено, что свечение плазмы начинается в периферийном кольце близ стенок трубки, а затем распространяется к оси, занимая все сече­ ние трубки. Это явление можно объяснить преимуществен­ ным возникновением возбужденных частиц в местах с наи­ большей величиной тангенциального электрического поля Егр. Напомним, что радиальное распределение £ ф (г) имеет характер параболы, начинающейся от нуля в центре и до­ стигающей максимального значения на оси витков индук­ тора высокочастотного генератора (см. ниже, рис. 3.8).

При сопоставлении моментов начала регистрации элект­ рического поля, свечения плазмы и зондового тока было обнаружено, что взаимное расположение их резко зависит от давления. Последовательность их появлении такова — одновременно с передним фронтом импульса поля наблю­ дается слабое красноватое свечение газа, однако зондовый ток возникает лишь спустя несколько микросекунд. При р ^ 0,1 mopp задержка появления зондового тока не пре­ вышает 10 мксек, при р » 0,5 mopp время задержки уве­ личивается до 1000 мксек. Наконец, для давлений около 1 mopp время задержки составляет уже 2000—3000 мксек,

и импульсный разряд с tn = 2,2 мсек нообще не возни­ кает. Наблюдали лишь упомянутое выше слабое свечение газа. При росте напряженности электрического поля задерж­ ка снижалась. Приведенные выше цифры относятся к обыч­

в атомарном инертном газе меньше, чем в молекулярных газах — в азоте и воздухе. Причина этого явления, наблю­ давшегося также ранее в работе 1122 I, достоверно неизвест­ на. Влияние диффузионных процессов, ведущих к рекомби­ нации электронов и ионов на стенках трубки, исключается, так как коэффициент амбиполярпоп диффузии обратно про­ порционален давлению. По-видимому, в начальные моменты накопления заряженных частиц важную роль играют объ­ емные элементарные процессы гибели заряженных частиц при соударениях с другими компонентами плазмы. Возмож­ но, что заряженные частицы первоначально возникают в узкой кольцевой области на периферии разряда с макси­ мальным электрическим полем и при увеличении давления из-за возрастания частоты рекомбинационных соударении не успевают распространиться по всему сечению разряда. В гл. 6 предложено возможное объяснение причин задерж­ ки зажигания высокочастотного разряда, которое основано на выявлении природы элементарных процессов ионизации

ирекомбинации атомов аргона.

Взаключение отметим, что возникновение плазмы ВЧ-разряда сопровождается небольшим изменением ампли­ туды ВЧ-поля. По окончании задержки зажигания ампли­ туда поля снижается на 10—15%.

На рис. 1.9, а изображена осциллограмма амплитуды тока в индукторе, пропорциональной амплитуде магнит­ ного поля при р = 0,5 mopp. В этом режиме амплитуда поля

при возникновении плазмы в трубке снижается на 20— 25 %, а задержка зажигания ВЧ-разряда достигает 500 мксек. При давлении р sCIO, 1 mopp уменьшение амплитуды поля не превышает 10—15% и на осциллограмме практически не видно. Время снижения амплитуды хорошо соответствует времени выхода зондового тока на стационарное значение. Из дальнейшего будет видно, что это время соответствует времени релаксации формы функции распределения элек­ тронов по энергиям.

68

§ 2.2. РАЗВИТИЕ КАНАЛА БОЛЬШОГО ИМПУЛЬСНОГО ТОКА В ГАЗЕ

Последовательность физических явлений при развитии канала большого тока изучали в ряде работ [123—125, 127, 128]. В серии работ по изучению начальных стадий разряда в электромагнитной ударной трубке Фаулер и др. [123] установили, что из-за больших напряженностей элект­ рического поля в первые моменты пробоя межэлектродного промежутка электронный газ за время 10-s сек приобре­ тает температуру порядка ІО6 °К. При этом тяжелые части­ цы — атомы и ионы вследствие малой эффективности пере­ дачи им энергии от электронов остаются холодными при Т ж 300°К. Горячий электронный газ начинает изотропно расширяться; возникает разделение зарядов и двойной электрический слой. Из-за возбуждения газа быстрыми электронами двойной слой сопровождается фронтом све­ чения. Радиальное электрическое поле двойного слоя уско­ ряет ионы, а также в результате перезарядки и нейтраль­ ные атомы. Начинается амбиполярное ускорение ионов, которое приводит к постепенному выравниванию скоростей электронов и ионов. Описанный процесс наблюдали в ряде работ при самой различной геометрии электродов 1127, 128]. Вследствие относительно малой энергии, накопленной го­ рячим электронным газом, характерное время быстрого распространения фронта свечения газа составляет единицы микросекунд. Затем уже в тесной зависимости от геометрии электродной системы, а следовательно, от взаимного рас­ положения электрического и магнитного полей, начинает развиваться либо электромагнитное ускорение плазмы 1123, 125, 127], либо тепловое расширение столба плазмы вследствие более медленного нагревания тяжелых компо­ нент при передаче энергии от электронов [124, 126, 129,130].

Формирование канала разряда с током до 100 а в аргоне и смесях аргона с цезием при давлении в десятки тор было подробно исследовано Ю. М. Волковым [124]. Подавая прямоугольный импульс тока, автор установил, что рас­ ширение канала тока протекает в две стадии. На первой стадии, длящейся порядка десятка микросекунд, характер­

разряда, а напряженность электрического поля и темпера­ тура электронов быстро падают; незначительно снижается и плотность тока. Рассматривая механизм физических про­

69

цессов в течение первой стадии, автор описывает явления, по 'существу совпадающие с упомянутой выше совокупно­ стью процессов с участием горячих электронов. Несмотря

стадии формирования практически не нагреваются. Вторая стадия отличается медленным расширением канала тока со скоростью не более ІО2 см • сек.-1. Здесь основные электри­ ческие интегральные параметры газоразрядной плазмы остаются постоянными — плотность тока, напряженность электрического поля, проводимость. В предположении, что во второй стадии происходит лишь нагрев тяжелых частиц и тепловое расширение газа без увеличения концентрации заряженных частиц, Ю. М. Волков 1124] рассчитал вре­ менную зависимость диаметров канала разряда, хорошо совпадающую с измеренной при помощи непрерывной скоростной фоторегнетрации прибором СФР-1. Это совпаде­ ние подтверждает правильность описания физических про­ цессов при формировании сильноточного импульсного раз­ ряда в газе.

На описанной выше (§ 1.2) экспериментальной установке для получения енлыюпонпзовапной плазмы также изучали начальные стадии формирования капала большого тока. Амплитуду тока изменяли в пределах 2--40 ка, а плотность тока в квазпетацпонарном состоянии — до 6 ка • сзг2. Скорость нарастания тока при разряде через закорачиваю­ щее сопротивление, устанавливаемое вместо разрядной трубки, составляла 3 • ІО9 а • сек-1. В работе 11291 опи­ сана совокупность явлений при развитии тока с амплиту­ дой не выше 3 ка. Для точного сопоставления моментов сра­ батывания включающего разрядника (подачи напряжения на электроды трубки) и появления свечения, регистрируе­ мого скоростным фоторегистратором СФР-1, близ трубки был установлен фотоотметчик. Он представлял собой кол­ лимированную импульсную лампу типа ИФК-50; поджи­ гающий лампу импульс напряжения подавали одновремен­ но (At ^ 0,3 мксек) с поджигом разрядника. Время свето­ вой инерции лампы не превышало 0,2ч-0,3 мксек, что было проверено при помощи фотоумножителя. На снимке СФР получалась развертка по времени обоих импульсов све­ чения— фотоотметчика и разрядной трубки. Таким'обра­ зом достигали необходимой фазировки осциллограмм тока

70

и напряжения н временной развертки излучения иссле­ дуемого разряда. Погрешность фазировки ± 0,5 мксек.

Начальные участки осциллограмм напряжения и тока на электродах трубки изображены на рис. 2.1, а, б; начало

развертки осциллографа соответствует моменту прихода первого импульса с генератора сдвинутых импульсов. На рис. 2.1, в приведен начальный участок сверхскорост­ ной фотографии свечения разряда, полученной в фазе с ос-

71

циллограммамн при помощи фотоотметчика. На рис. 2.2 приведена полная развертка во времени свечения разряда.

Первые 4—5 мксек характеризуются падением напряже­ ния на 20—30%, практически нулевым током и слабым све­ чением по всему сечению трубки. Ток разряда не превышает 1—5 а, падение напряжения 1500—3000 в, следовательно, дуговому разряду предшествует стадия аномального тлею­ щего разряда. В течение последующих 2—3 мксек ток резко растет до 70—80% / ма'ІІС, а напряжение быстро падает до 150—200 в, равномерное свечение по всему сечению трубки исчезает, возникает слабосветящиі'іся шнур тока, который

начинает быстро расширяться. Стадии перехода от тлею­ щего разряда к дуговому сопутствует быстрое (со скоро­ стью до ІО5 см ■сек-1) адиабатическое расширение элект­ ронного газа, нагретого электрическим полем в первые стадии разряда. Вследствие квазпиептралыюстн расшире­ ние электронного газа приводит к амбштолярпому ускоре­ нию ионов, однако вследствие малой степени ионизации большая часть тяжелых частиц остается практически не­ подвижной. На границе расширяющегося электронного облака происходит возбуждение и ионизация газа электрон­ ным ударом, поэтому доля возбужденных и ионизированных частиц растет. Из сверхскоростной фотографии видно, что интенсивность свечения плазмы увеличивается по мере расширения канала тока. Оценка температуры электронов в стадии быстрого расширения по формулам теории процес­

После быстрого ионизационного расширения до г = 0 ,6 х х Д тр (здесь Ryf)—радиус разрядной трубки) наблюдается

72

медленное расширение в течение 30 мксек до окончатель­ ного радиуса канала тока г = 0,85 Дтр. К началу стадии медленного расширения ток практически достигает своего максимального значения, а напряжение — разности потен­ циалов во время основного дугового разряда — ПО—120 в. Медленное расширение, по-видимому, обусловлено нагре­ ванием и расширением газа, состоящего из тяжелых частиц. Подобное явление наблюдалось при токах до 100 а в смесях аргона с цезием [124]. Так как скорость медленного расши­ рения ие превышает 104 см ■сек-1, то расширение идет при постоянном давлении. В конце стадии медленного расшире­ ния газ начинает испытывать поджатие со стороны стенок трубки, дальнейшее повышение температуры соответствует изохорическому процессу. На временных развертках в конце теплового расширения заметно увеличение свече­ ния плазмы, которое спустя 10—15 мксек становится по­ стоянным вплоть до окончания импульса тока. Участок по­ стоянной интенсивности свечения появляется лишь при достаточно продолжительных импульсах тока, когда время импульса больше суммарной протяженности начальных стадий возникновения и развития канала тока (при I — 2ч- 4-3 ка и давлении рп = 1 mopp тн ст = 40—50 мксек).

Таким образом, развитие канала импульсного тока в газе проходит две стадии. Сначала по неподвижному газу распространяется волна ионизации без изменения тем­ пературы и концентрации тяжелых частиц. Ионизация осуществляется ударом быстрых электронов, нагретых электрическим полем в начальные моменты разряда. На второй стадии, по-видимому, происходит медленное тепло­ вое расширение газа, состоящего из тяжелых частиц.

После завершения обеих стадии расширения канала тока и поджатыя плазмы стенками трубки интенсивность свече­ ния, диаметр и осесимметрнчность капала тока остаются неизменными и однородными по длине вплоть до окончания импульса тока. Плазма разряда в этих условиях представ­ ляет собой объект, доступный для точных спектроскопи­ ческих исследований.

Дальнейшие исследования проводили при токе до 40 ка в разрядных трубках диаметром 19 и -30 мм, длиной 160 и 190 мм. Напряжение холостого хода генератора, питаю­ щего трубку, составляло 5 кв. Амплитуду тока регулирова­ ли изменением внутреннего сопротивления генератора, которое всегда превышало сопротивление разрядной трубки при стационарной стадии разряда в семь и более раз. Про­

73

должительность импульса тока была не более 140 мксек. Величина спада амплитуды тока на полке импульса дли­ тельностью 60 мксек лежала в зависимости от тока в пре­ делах 0,5—15 л). Задний фронт импульса для режимов с амплитудой до 24 ка не превышал 4 мксек, а для больших амплитуд 15 мксек. Время нарастания импульса тока опре­ делялось свойствами разряда и находилось в пределах 10—

Рис. 2.3. Скоростная фоторегистрация сильноточного разряда, па которой ппдны явления, сопутствующие развитию импульсного тока, и начало испарения стенок трубки 1и.,, - - длительность ква-

знстационарпой стадии тока: / = 17 ка\ р„ = 10 торр\ Uu —5 кв;

R ,, - 1 ой.

15 мксек, что при токах менее 24 ка в два-три раза превышало время нарастания тока на холостом ходу генератора (с за­ короченной разрядной трубкой). Разрядная трубка работала в проточном режиме. Исследования проводили при началь­ ных давлениях 0,1; 1; 10; 30 и 50 mopp.

Характерная временная развертка разряда при токе / > 10 ка, полученная с помощью СФР-1, приведена па рис. 2.3. Началу формирования канала тока предшествует не видная на данной СФР-грамме из-за малой экспозиции стадия тлеющего разряда длительностью — 0,5 мксек, свечение которого занимает большую часть диаметра раз­ рядной трубки. После схлопывания тлеющего разряда происходит расширение канала тока, сопровождающееся слабосветящейся осесимметричной радиальной волной, мно­ гократно отражающейся от границы свечения газа и зату­ хающей в плазме разряда. Скорость волны порядка не-

74

скольких километров в секунду зависит от начального давления, тока п рода газа (кроме азота, исследовали гелий и аргон) и увеличивается с ростом тока и уменьшением давления.

Время формирования канала разряда определяется равенством: /ф=макс (/р, где /р — время расширения канала тока, а /в — время существования светящейся вол-

Рпс. 2.4. Зависимость времени формирования кана­ ла тока /ф и времени начала испарения стенок труб­ ки /п от плотности тока и начального давления

(азот).

ны. При уменьшении начального давления ри и увеличении средней плотности тока і времена /р и tBуменьшаются, при­ чем, начиная с некоторых р„ и і, наблюдается неравенство t,B> tр. Зависимость от рн и і приведена на рис. 2.4,

из которого видно, что с увеличением ри н уменьшением і время формирования возрастает. При одинаковых средних

по сечению трубок плотностях тока і время формиро­ вания растет с увеличением диаметра трубки.

С увеличением плотности тока сокращается продолжи­ тельность квазистацмонариой стадии разряда нз-за начала испарения стенок трубки. На рис. 2.4 приведены значения

75

времени fH, отсчитываемого от момента подачи импульса тока до начала испарения стенок трубки в зависимости от начального давления и тока. Как видно из рис. 2.4, пары кварца [118] распространяются с почти постоянной ско­ ростью к осп трубки, величина которой зависит от режима. При начальных давлениях 1 и 10 mopp, скорость распрост­ ранения паров кварца лежит в пределах 90— 140 м-сек~х и возрастает до 500 м -сек-1 при начальном давлении 0,1 mopp практически вне зависимости от плотности тока. Для труб-

^ 1

——

Рис. 2.5. Временное изменение концентра­ ции электронов при развитии сильноточно­ го разряда в азоте.

кп диаметром 30 мм значения /„ па 15?п меньше соответст­ вующих значений для трубки диаметром 19 мм и плотности тока от 4,5 до 6 ка-см~~.

При работе с импульсами тока, не вызывающими испа­ рение стенок трубки, последние постепенно, начиная с кон­ цов, покрываются налетом пз материала электродов, при­ чем особенно сильно у катода. Оказалось, что сильноточ­ ными импульсами, вызывающими испарение стенок, можно очищать трубку от налета по всей длине, добиваясь восста­ новления оптических свойств, а также исчезновения мелких волосяных трещин и матовых пятен. Эффективность этой операции возрастает с увеличением амплитуды тока и скоро­ сти протока газа. Длительность импульса тока не должна быть слишком большой, иначе возможно растрескивание стенок трубки.

Типичные осциллограммы тока через трубку п напряже­ ния на ее электродах показаны на рис. 1.7 для начального давления 1 mopp. Сравнение осциллограмм напряжения с СФР-граммами разряда для всех исследованных режимов

76