CC BY
15
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ИСКРОВОГО КАНАЛА В ИНЕРТНЫХ И
МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗАХ
К.А.Эфендиев
Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала
В работе [1] была разработана оригинальная методика синхронной фиксации изменения напряжения на пробиваемом промежутке с помощью осциллографа и развития искрового разряда в пространстве и во времени с помощью электронно-оптического преобразователя, когда для временной развертки луча по экрану осциллографа и изображения по экрану электронно-оптического преобразователя применяется одно и тоже импульсное напряжение.
Мы исследовали импульсный пробой гелия, аргона, азота, воздуха указанным выше методом.
На рис.1 приведен схематический вид осциллограмм и эопограмм импульсного пробоя, у которых один и тот же масштаб времени.
При импульсном пробое гелия и аргона эопограммы и осциллограммы показывают, что в течение времени равного сумме времени падения напряжения до ступени и длительности ступени напряжения, (участок ВСД, рис. 1) в промежутке возникает диффузное свечение, которое распространяется от катода к аноду со скоростью ~2,8-104 м/сек.
I
свечение у анода
~~ искровой канал
каналы
Рис.1 Схематический вид осциллограммы и соответствующей эопограммы, их развитие во времени
Рис. 2 Эопограмма импульсного пробоя азота. К- катод, А - анод.
№11, 2005г.
39
Позже, сначала на аноде, а потом на катоде возникают ярко светящиеся образования, которые распространяются навстречу друг другу со скоростью порядка 103 м/сек.
Начиная с перенапряжении ~ 146% (напряжение U=5,8 кВ, длина промежутка d=10 мм) для гелия и 26% для аргона согласно эопограмм, имеют место изменение в механизме пробоя, которое заключается в том, что как и прежде, сначала возникает диффузное свечение в виде канала, которое движется от катода к аноду. Позже сначала у катода, а потом у анода возникают светящиеся области. Из области свечения около катода свечение с большой скоростью ~104 м/сек движется до встречи со свечением из анодной области. Анодное и катодное свечения также распространяются соответственно к аноду и катоду.
На рис.1 приведен схематический вид эопограммы и осциллограммы для одного и того же разряда. Мы видим следующее соответствие между формой осциллограммы пробоя и эопограммы: в газовом промежутке возникает тлеющий разряд (диффузное свечение, рис.1), чему на осциллограмме соответствует спад напряжения от напряжения пробоя № до напряжения ступени №. Далее на эопограмме мы видим каналы, которые берут начало в катодной половине промежутка, распространяются к аноду на некоторое расстояние, после чего канал прекращает свое дальнейшее продвижение. При этом светится только головка канала. После исчезновения первого канала приблизительно через 20-50 нсек возникает второй канал, который берет свое начало в области ближе к катоду, чем первый канал. Второй канал проходит по направлению к аноду большее расстояние, чем первый канал, после чего через 20-50 нсек возникает третий канал и этот процесс продолжается до тех пор, пока канал не соединит катод и анод газового промежутка. После возникновения двух, трех каналов около поверхности анода появляется свечение, которое перемещается как к аноду, так и к катоду. Когда канал соединяется с этим свечением, формирование канала завершается. Возникновению и развитию каналов, окончательному формированию искрового канала на осциллограмме соответствует спад напряжения после ступени до напряжения горения дуги (участок ДМ, рис. 1). При импульсном пробое азота и воздуха первое видимое свечение, как в аргоне и гелии, появляется у поверхности катода и далее распространяется до анода и катода. После этого около поверхности катода появляется яркосветящаяся область, свечение которой быстро прекращается. Через некоторое время (порядка нескольких десятков нсек.) возникает вторая такая область (отмечены крестиками на рис.1), свечение которой так же затухает и т.д.. Для перенапряжений больших определенной величины (в зависимости от природы газа) каждой светящейся области у катода соответствует, канал в области анода, что изображено на схематической эопограмме (рис.1), Светящие области у катода и каналы у анода видны на эопограмме (рис.2).
Отличительной особенностью формирования искрового канала в молекулярных газах является возникновение у катода ярких вспышек света, яркость которых уменьшается с увеличением номера вспышки, наоборот яркость соответствующего канала растет, что, по-нашему мнению, связано с уменьшением катодного падения потенциала по мере формирования катодного пятна и увеличению потока термоэлектронов и электронов взрывной эмиссии.
Возникновение ярких вспышек у катода в молекулярных газах связано с тем, что в них напряженность поля в канале растет с ростом потерь энергии электронами до достижении ими энергии ионизации, что показано в работе [2]. Согласно работе [2]
напряженность поля в канале равняется:
Тел/2Х
Е =
К
Где Те - температура электронов, х - доля энергии, теряемой электроном при одном столкновении, Ке - длина свободного пробега электрона. Наличие высоких полей у катода вызывает сильную ионизацию и возбуждение газа, что и приводит к вспышке света, при выходе очередного роя электронов из катода.
Свечение головок стримеров и возникающих у анода каналов свидетельствует о том, что напряженность поля в канале уменьшается из-за роста проводимости канала и перераспределения падения напряжения, а на концах канала увеличивается, что приводит к дальнейшему распространению канала путем ударной ионизации. Возможность такого характера формирования канала рассмотрена в работе [3].
Как известно, катодное пятно имеет островной характер и проходит несколько стадий формирования. Выходящие из катодного пятна электроны формируют волны отрицательного напряжения (фронта ионизации), которые создают каналы. Длина канала определяется запасом энергии роя электронов, которая накапливается в области катодного пятна, выход роя электронов может быть обеспечен, взрывной эмиссией электронов. Характер движения каналов по направлению к электродам свидетельствует о возможности применения механизма плазменной теории, разработанной в работах [4,5]. Таким образом, на плазменный механизм пробоя накладывается прохождение роя электронов через формирующийся искровой канал. Далее пробой завершается как по стримерной теории.
Яркосветящиеся образования, которые возникают сперва на аноде, а потом на катоде и распространяются навстречу друг другу возможно связаны с катодными и анодными факелами, возникающими из-за разрушения материала электродов с образованием волн ионизации в плазме.
К возникновению и распространению свечений можно применить плазменно -волновую модель пробоя, разработанную работе [6], согласно которой неоднородности, возникающие у катода и анода вызывают плазменные колебания, которые способствуют пробою.
Библиографический список:
1. Эфендиев А.З. Исследование пробоя газов при мощном облучении газового промежутка (докторская диссертация). Баку, 1967.
2. Энгель А.Э. Ионизированные газы. Москва, 1959.
3. Ульянов К.Н. Физические основы пробоя плазмы несамостоятельного разряда. Тезисы докладов Всесоюзного совещания по физике электрического пробоя газов, с.6, Махачкала, 1982.
4. Омаров О.А., Рухадзе А.А., Шнеерсон Г.А., ЖТФ, с. 49, 1997.
5. Бройтман А.П., Омаров О.А., Решетняк С.А., Рухадзе А.А. Препринт № 197 ФИ АН СССР, 1984, с. 54.
6. Шелоболин А.В.//Физика плазмы. 2003, том29, №2, с.187-197.
