Приэлектродные процессы и режимы устойчивого горения микросекундного разряда в гелии в условиях ультрафиолетовой предыонизации газа Текст научной статьи по специальности «Физика»

ФИЗИКА

УДК 537.521

DOI: 10.21779/2542-0321-2024-39-2-7-14

В. С. Курбанисмаилов, Р. М. Абакаров, Г. Б. Рагимханов, Р. Н. Гасанова

Приэлектродные процессы и режимы устойчивого горения микросекундного разряда в гелии в условиях ультрафиолетовой предыонизации газа

Дагестанский государственный университет; Россия, 367000, г. Махачкала, ул. М. Гаджиева, 43а; [email protected]

Аннотация. Представлены результаты исследования оптических и спектральных характеристик импульсного объёмного разряда в гелии атмосферного давления в плоскопараллельном сантиметровом газовом промежутке в диапазоне изменения электрического поля от 3 до 12 кВ и давления газа от 1 до 3 атм. Из анализа интегральных картин разряда совместно с электрическими характеристиками определены режимы однородного и устойчивого горения разряда в зависимости от прикладываемого поля и давления газа. Показано присутствие в прикатод-ной плазме линий испускания паров железа на всем исследованном диапазоне E/p. Методом Монте-Карло выполнено численное моделирование дрейфовых характеристик электронов и получены зависимости скорости дрейфа и ионизационного коэффициента Таунсенда в широком диапазоне изменения E/N = 0,1 - 200 Td в чистом гелии, а также в гелии с содержанием примесей паров железа. Показано, что даже сотые доли примесей железа способны изменить ионизационные характеристики электрона.

Ключевые слова: импульсный разряд, контракция, катодный факел, характеристики электронного транспорта.

Введение

Известно, что при пробое перенапряженных промежутков в случае инициирования разряда большим числом начальных электронов имеет место объемное протекание тока [1]. Широкое практическое применение плазмы высокого давления отчасти и стимулировало большой интерес к исследованию такой формы протекания тока разряда. За достаточно короткое время были изучены условия формирования и основные характеристики импульсных объемных разрядов [1-3] и предложены различные модели формирования плазменного столба [2].

Нами [4-6] были изучены электрические, пространственно-временные и спектральные характеристики импульсного объемного разряда (ОР) в Не атмосферного давления в режиме однородного горения, в режиме перехода ОР в искровой канал и при переходе ОР в сильноточный диффузный режим (СДР). Было показано, что при перенапряжениях (более 300 %) формируется СДР с плотностью тока 102-103 А/см2, концентрацией электронов ~1016 см-3 и температурой 1-2 эВ. Гелий используется в качестве буферного газа в газовых лазерах, что определяет актуальность изучения объемного разряда в гелии. Кроме покадровых картин формирования представляют интерес интегральные картины разряда, которые наглядно демонстрируют форму протекания тока разряда в течение всего импульса напряжения. Взаимодействие плазмы с контак-тируемыми металлическими поверхностями, как правило, приводит к их распылению.

При импульсном разряде в газах в ходе распыления электродов в приэлектродной зоне разряда появляется смесь исследуемого газа с парами металла [7]. Следовательно, важно изучить возможности таких паров в исследуемых условиях, а также влияние примесей паров металла на транспортные и ионизационные характеристики электронов. Такие исследования могут иметь большое практическое значение.

Методики исследования и обсуждение полученных результатов

Разряд формировался в сантиметровом плоскопараллельном промежутке в условиях, аналогичных представленным в [4-6]. Ионизация газа в промежутке осуществлялась с помощью источника ультрафиолетового излучения (УФ), расположенного на расстоянии 5-7 см от оси основного промежутка в том же газе. При этом создавалась начальная концентрация электронов по ~ 107 см-3. В другом варианте эксперимента источник УФ-излучения располагался за сетчатым электродом. Напряжение пробоя менялось в диапазоне от статического пробойного значения (ист = 3 кВ) до 12 кВ.

На рис. 1 (а-в) приведены интегральные картины разряда в гелии.

Чтобы определить влияние энерговклада в разряд и давление газа в промежутке на однородность и устойчивость ОР, были выполнены исследования при различных начальных условиях. При атмосферном давлении газа в Не, когда прикладываемое к промежутку поле Ео < Екр = 7 кВ/см, горит однородный объемный разряд (рис. 1а, фото 1-3). Дальнейшее увеличение поля приводит к формированию и развитию незавершенных анодонаправленных каналов, привязанных к катодным пятнам, при плотности тока разряда ~ 40 А/см2. При этом в межэлектродном промежутке еще сохраняется однородность столба плазмы разряда.

При увеличении амплитудного значения прикладываемого импульса напряжения увеличивается энерговклад в разряд и соответственно плотность тока разряда. При плотностях тока 60 А/см2 на поверхности электродов мы наблюдаем незавершённые токовые каналы.

Уже начиная с плотности тока 100 А/см2 (ио > 8-9 кВ) искровой канал прорастает вглубь промежутка, который перекрывает разрядный промежуток (рис. 1 а, фото 4). В этом случае объемный разряд контрагируется с образованием искрового канала.

Нами исследовано влияние давления газа на формирование однородного разряда. Для этого были сняты интегральные картины разряда для давлений газа 2 и 3 атм. (рис. 1б, в). Как видно из рис. 1б, однородность разряда повышается. Данное улучшение мы наблюдали при значениях Е0/р < 5 кВ/см атм. При дальнейшем увеличении давления газа до 3 атм. переход от объемного горения к искровому каналу происходит при Ею/р > 4 кВ/см атм.

Исследование показало, что при увеличении отношения Е0/р, превышающего критическое значение Екр/р, наблюдается повышенная плотность катодных пятен, из которых распространяются незавершенные анодно-направленные каналы, формирующие искровой канал.

Таким образом, хотя исследуемым газом является гелий, в действительности, особенно в приэлектродных областях, может быть смесь «гелий - пары железа». Наличие в спектре излучения разряда линий испускания паров металла [8] может служить доказательством распыления материала вещества катода вследствие взрывных процессов или процессов ионной бомбардировки катода. Кроме того, расширяющееся катодное пятно может инициировать ударные волны, которые, в свою очередь, способны влиять на динамику развития разряда [7; 9].

1 (8 кВ, р = 2 атм.) 2 (9 кВ, р = 2 атм.) 3 (10 кВ,р = 2 атм.) 4 (11 кВ, р = 2 атм.)

б)

1 (7 кВ, р = 3 атм.) 2 (8 кВ, р = 3 атм.) 3 (9 кВ, р = 3 атм.) 4 (12 кВ, р = 3 атм.)

в)

Рис. 1. Интегральные картины свечения промежутка в гелии при высоких давлениях: а) р = 1 атм.; б) р = 2 атм.; в) р = 3 атм. Электроды с межэлектродным расстоянием й = 1 см из нержавеющей стали (катод - сплошной, анод - сетчатый)

Рассмотрим результаты исследования панорамных спектров излучения разряда, выполненного с применением спектральной аппаратуры монохроматор-спектрограф МS-3504i [8]. Нас при этом интересовали два ключевых аспекта:

• влияние на панорамный спектр амплитудного значения высоковольтного импульса напряжения, который изменялся в диапазоне от 4 до 12 кВ,

• наличие спектральных линий паров материала вещества электродов.

Столь широкий диапазон изменения прикладываемого поля позволяет охватить различные режимы формирования и горения разряда - однородный объемный разряд, объемный разряд с катодными пятнами и искровой разряд. На рисунке 2 приведен панорамный спектр разряда для амплитудного значения прикладываемого поля 12 кВ.

370 380 390 400 410 420 430

X, пт

¡3

03

14000 12000 10000 8000 6000 4000

_____

670

680 690

700 710 720

А., пт

730

Рис. 2. Панорамный спектр разряда в гелии: и = 12 кУ, р = 760 Торр

Анализ результатов исследования спектра позволяет сделать выводы:

• с увеличением амплитудного значения импульса напряжения увеличивается спектральный состав излучения и интенсивность излучения линий гелия;

• в спектре изучения разряда присутствуют линии паров материала вещества электродов во всех режимах горения разряда.

Таким образом, с одной стороны, увеличение спектрального состава излучения при увеличении амплитудного значения импульса напряжения и увеличение соответствующих интенсивности линий является вполне понятным, т. к. с увеличением прикладываемого поля возрастают энерговклад в разряд и средняя энергия электронов. С другой стороны, с увеличением энерговклада в разряд наблюдается уменьшение интенсивности атомарных линий излучения железа в разряде. При более низких полях интенсивность атомарных линий железа больше, чем при более высоких полях.

Таким образом, можно сделать вывод: распыление материала вещества электрода происходит во всем исследованном диапазоне полей, даже когда на интегральных картинах разряда мы явно не наблюдаем образование катодных и анодных пятен. Для подтверждения влияния примесей паров железа на ионизационные и транспортные характеристики электронов было выполнено численное моделирования методом Монте-Карло [8; 10; 11].

При моделировании методом Монте-Карло учитываются упругие и неупругие электрон-атомные столкновения электронов с атомами.

Данные о поперечных столкновениях брались из базы данных LXCat. Для задания сечения столкновений из табличных данных в программе используется линейная интерполяция.

Положение в пространстве г и скорость V электронов в декартовых координатах имеют следующий вид:

(1)

( г (1) X г(1) У г(1) ^ 2 к" к ]

г = г (2) X К" г (2) 2 , V = к2' к2' к2'

г (N) ^ х г (N) У г (N) 2 к *) к) к ),

Вектор напряженности электрического поля Е направим вдоль оси г, тогда соответствующие проекции будут определяться как

(0 0 Ег \

Е =

0 0 Е_

. 0 0 Е .

V 2/

(2)

Определение изменения координаты г и скорости V электрона за промежуток времени At:

г ^ г + VAt - 0.5еЕ / шеЫ:2 (3)

V ^ V - еЕ / шеА (4)

Здесь е и - заряд электрона и масса электрона.

Потеря энергии электрона при упругом столкновении с атомом массой М определяется

АЕ = е2т- (1-ссб<9), (5)

М v ;

в то время как для неупругого столкновения потеря энергии е* равна пороговой энергии возбуждения атома

Аб=Б . (6)

В акте ионизации появляется новый электрон, а оставшаяся энергия распределяется между ними с коэффициентом 0 < Ж < 1, где, например, Ж = 0.5 будет соответствовать равному распределению энергии между электронами.

Результаты данного численного эксперимента представляют интерес. Поскольку атомы железа имеют низкий потенциал ионизации по сравнению с атомами гелия, то можно предположить, что малые примеси паров железа способны заметно повлиять на коэффициент Таунсенда и остальные транспортные характеристики электронов. В работе были выполнены расчеты транспортных характеристик электронов - скорость дрейфа и ионизационный коэффициент Таунсенда в широком диапазоне изменения Е/Ы = 0,1 - 200 Td в чистом гелии, в чистых парах железа, в гелии с процентным содержанием паров железа 0,001 %, 0,01 %, 0,1 %, 1 %, 2 %, 5 %, 10 %, 20 % и 50 %.

На рисунке 3 приведены зависимости для скорости дрейфа электронов от Е/Ы в чистом гелии, в парах чистого железа, а также в гелии с добавками 1 %, 2 %, 5 %, 10 %, 20 % и 50 % атомов железа. Влияние паров железа на скорость дрейфа становится заметным с 1 %. Добавки паров железа приводят к уменьшению дрейфовой скорости электронов. В чистых парах железа скорость дрейфа многократно ниже, чем в гелии.

Немного неожиданными оказались результаты расчета зависимости коэффициента ионизации Таунсенда. Наблюдается многократное увеличение коэффициента ионизации Таунсенда при добавке даже сотых долей процента паров железа. Наиболее заметно влияние паров железа на ионизационный коэффициент Таунсенда в гелии в исследованном диапазоне Е/Ы при относительно низких полях (см. рис. 4), хотя дальнейшее увеличение содержания паров железа в гелии приводит к уменьшению ионизационного коэффициента Таунсенда. Это можно объяснить тем, что из-за более низкого потенциала ионизации железа электроны лучше ионизируют атомы железа, чем гелия. Однако по мере увеличения концентрации атомов железа средняя энергия электронов будет уменьшаться, поскольку атомы железа имеют гораздо большее полное сечение

столкновений, чем атомы гелия, что и приводит к уменьшению ионизационного коэффициента а.

>

106

105

104

103

102

1 ..... (b) : Ж-'УУ .■ Ж-''' " ' ■' jjr'"-' ' •' Ж JF"''' ' ■' ж

Г ......... 1% Fe -----2% Fe ----5% Fe ----10% Fe ---20% Fe • - - 50% Fe

Fe ' ■' ж

He ,--* _.** /■ ,. у' У' . / -✓ / • / ■ Fe :

M---J.'.--

-'■ . - -

i ..... ... 1 ........1 .

0,1

1

10

100

Е/^ Td

Рис. 3. Скорость дрейфа электронов в гелии с парами железа в зависимости от Е/Ы

Численное моделирование показало, что малая концентрация атомов железа в гелии оказывает существенное влияние на транспортные характеристики электронов при дрейфе в стационарном однородном электрическом поле в диапазоне изменения напряженности от 1 до 100 Тд.

10°

10

10-2

10

■ ........1 ........ 100 Td :

: (b) „-----„60 Td

:-------------- -------' 20 Td \ :

_____s' \ \ \ V

10 Td у

/ \ \ \

------------------- > х \ ■ \ V \ t .

Г / \ ' \ * \v \ • * j \ • 1 \ • » ' \ i « ■

1 1 • 1 \ ' .................. ......\,

10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 Percentage

Рис. 4. Зависимость ионизационного коэффициента Таунсенда от концентрации паров железа

для различных значений E/N

Выводы

Таким образом, дан подробный анализ интегральных картин разряда в сравнении с электрическими характеристиками. Определены различные режимы горения объемного разряда в гелии. Показано, что распыление материала вещества происходит во всем диапазоне исследований, а пары металла способны существенно повлиять как на транспортные, так и на ионизационные характеристики электронов.

Поскольку распыление катода в разрядных экспериментах является неизбежным, возможно изменение свойств разряда при добавлении небольших количеств лег-коионизируемых примесей.

Литература

1. Королев, Ю. Д. Физика импульсного пробоя газов / Ю. Д. Королев, Г. А. Месяц. - Москва: Наука, 1991. - 222 с.

2. Осипов, В. В. Самостоятельный объемный разряд / В. В. Осипов // Успехи физических наук. 2000. № 170. - С. 225-245.

3. Осипов, В. В. Формирование плазменного столба объемного газового разряда с преварительной ионизацией / В. В. Осипов, В. В. Лисенков // Письма в ЖТФ. 1996. № 19. - С. 74-78.

4. Курбанисмаилов, В. С. Импульсный объемный разряд в гелии при высоких перенапряжениях / В. С. Курбанисмаилов, О. А. Омаров, Г. Б. Рагимханов, А. А. Али Рафид // Успехи прикладной физики. 2015. № 3. - С. 154-161.

5. Курбанисмаилов, В. С. Особенности контракции объемного разряда в не атмосферного давления / В. С. Курбанисмаилов, О. А. Омаров, Х. М. Абакарова, А. А. Али Рафид // Вестник ДГУ. 2013. Вып. 6. - С. 38-46.

6. Курбанисмаилов, В. С. К вопросу о характере контрагирования объемного разряда в гелии атмосферного давления / В. С. Курбанисмаилов, О. А. Омаров // Теплофизика высоких температур. 1995. № 33. - С. 346-350.

7. Курбанисмаилов, В. С. Импульсный разряд в парогазовых смесях гелия высокого давления / О. А. Омаров, Н. А. Ашурбеков, Г. Б. Рагимханов, М. Х. Гаджиев // Прикладная физика. 2004. № 3. - С. 202-209.

8. Kurbanismailov, V. S. Optical and kinetic characteristics of an atmospheric pressure pulsed discharge in helium with iron vapor / V. S. Kurbanismailov, S. A. Maiorov, O. A. Omarov, G. B. Ragimkhanov // Tech. Phys. 2019. № 64. - Рр. 348-351.

9. Almazova, K. I. Features of the cathode plasma formation at the initial stage of a nanosecond spark discharge in air / K. I. Almazova, A. N. Belonogov, V. V. Borovkov [et al.] // EPL. 2020. № 130. - P. 65002.

10. Kurbanismailov, V. S. Monte Carlo simulation of mercury ion drift characteristics in an inert gas / V. S. Kurbanismailov, S. A. Maiorov, G. B. Ragimkhanov, Z. R. Khalikova // J. Phys. Conf. Ser. 2020. Vol. 1697. - P. 012234.

11. Kurbanismailov, V. S. Electron drift characteristics in argon with iron vapor: Coefficient of mobility, ionization and runway / V. S. Kurbanismailov, S. A. Maiorov, O. A. Omarov [et al.] // J. Phys. Conf. Ser. 2018. Vol. 1115. - P. 022040.

Поступила в редакцию 2 июня 2024 г.

Принята 12 июня 2024 г.

UDC 537.521

DOI: 10.21779/2542-0321-2024-39-2-7-14

Near-Electrode Processes and the Modes of Stable Combustion of a Microsecond Discharge in Helium Under Ultraviolet Gas Preionization

V. S. Kurbanismailov, R. M. Abakarov, G. B. Ragimkhanov, R. N. Gasanova

Dagestan State University; Russia, 367000, Makhachkala, M. Gadzhiev st., 43a; vali [email protected]

Abstract. The results of a study of the optical and spectral characteristics of a pulsed volume discharge in atmospheric pressure helium in a plane-parallel centimeter gas gap in the electric field ranging from 3 to 12 kV and gas pressures from 1 to 3 atm are presented. From the analysis of the integral discharge patterns alongside the electrical characteristics, the modes of uniform and stable discharge combustion were determined depending on the applied field and gas pressure. The presence of iron vapor emission lines in the near-cathode plasma was shown throughout the entire E/p range studied. Using the Monte Carlo method, numerical modeling of the drift characteristics of electrons was carried out and the characteristic dependences of the drift velocity and the Townsend ionization coefficient were obtained in a wide range of changes EN = 0.1 - 200 Td in pure helium, as well as in helium containing iron vapor impurities. It has been shown that even hundredths of iron impurities can change the ionization characteristics of an electron.

Keywords: pulsed discharge, contraction, cathode torch, electron transport characteristics.

Received 2 June, 2024 Accepted 12 June, 2024