Введение к работе
Актуальность проблемы.
Бурное развитие мощных импульсных систем, таких как генераторы и коммутаторы мощных высоковольтных импульсов, импульсные лазеры, импульсные электронные и ионные пучки, а также ужесточение в последнее время экологических требования и неспособность традиционных технологий удовлетворить игл, сделали актуальной задачу разработки новых технологий с использованием импульсных электрических разрядов: плазмохимические реакторы, разрушение твердых материалов, очистка поверхности, озонаторы и импульсные источники УФ излучения. Решение этих задач требует детального исследования вклада энергии в разрядный промежуток и ее распределения по различным каналам в электрическом разряде в газе.
Переход к наносекундному временному диапазону стимулировал исследования быстрых стадий электрического пробоя. Среди них особое внимание всегда уделялось высокоскоростным волнам ионизации (ВВИ), которые наблюдались как в молнии, так и в лабораторных условиях. Наибольший интерес, как в научном, так и практическом плане представляют исследования ВВИ в длинных разрядных трубках с металлическим экраном ввиду хорошей воспроизводимости эксперимента и возможности применения в коаксиальных газовых лазерах, источниках света и коммутаторах.
В настоящее время отсутствуют полные данные о зависимости энерговкладэ в импульсно-периодическом наносекундном разряде от разрядных условий. Предыдущие исследования ВВИ включали в себя в основном исследование электродинамических характеристик ВВИ: скорость движения фронта, ток, распределение потенциала и затухание при распространении ВВИ, наработка убегающих электронов и рентгеновского излучения, а также выяснялись возможности генерации лазерного излучения при возбуждении волной ионизации.
В литературе отсутствуют данные о зависимости вклада энергии от разрядных условий для различных газовых заполнений разрядных трубок. Также отсутствуют экспериментальные данные, и какой либо теоретический анализ о механизмах распределении энергии, вложенной в разряд. В то же время предыдущими работами показано, что импульсный разряд в виде ВВИ является перспективным способом наработки неравновесной плазмы с высокой концентрацией высоковозбужденных частиц и высокой проводимостью, без контракции и за короткие времена. Создание такой плазмы другими
способами является достаточно сложной экспериментальной задачей, особенно для электроотрицательных газов. В отличие от большинства импульсных разрядов пробой в виде ВВИ не приводит к сильному разогреву газа в период протекания тока, что позволяет создавать и исследовать плазму с достаточно высокой концентрацией заряженных частиц в различных средах.
Цель работы
Основной целью настоящей работы являлись
экспериментальные исследования энерговклада и электродинамики ВВИ и генерации излучения при импульсно-периодическом разряде в различных газах. При исследованиях ставились задачи добиться максимального вложения энергии в разрядный промежуток и определить в этих условиях механизм и степень преобразования электромагнитной энергии в излучение.
В соответствии с этим в работе решались следующие задачи:
-
Создание экспериментальной установки для получения и исследования импульсно-периодического разряда в виде ВРИ в длинных трубках с различным газовым заполнением.
-
Исследование энерговклада и электродинамики ВВИ в зависимости от параметров высоковольтных импульсов, рода газа и его давления, параметров разрядного устройства. Исследовать вопрос о предельном удельном энерговкладе для разряде в виде ВВИ.
-
Исследование спектральных и абсолютных характеристик излучения мощного импульсно-периодического разряда (средняя мощность >200 Вт) для различных газовых заполнений в одинаковых условиях.
-
Провести сравнение характеристик, полученных в импульсно-периодическом разряде, со стационарным разрядом, возбуждаемым в тех же условиях.
Провести указанные исследования для различных газовых заполнений разрядных трубок: одно- двух- и многоатомных молекул, и для различной степени электроотрицательное газового наполнения.
Научная новизна.
Экспериментально исследован энерговклад мощного импульсно-периодического разряда обеих полярностей в Не (НЄОторр), СО (0,5-=-10 торр), Вг2 (О.ибторр), ССІ4 (0,1-=-1 торр) и в смеси газоз Hg+Ar. Теоретически обоснованы и экспериментально исследованы условия для оптимального вклада энергии в разрядный промежуток. Для оп .мальных условий вклада энергии в разрядный промежуток экспериментально обнаружено, что предельные характеристики
вклада энергии не зависят от газового заполнения разрядной трубки. Показано, что предельные характеристики определяются геометрией разрядной ячейки и приложенным импульсом.
Для указанных газов получены спектральные характеристики и измерено абсолютное излучение плазмы. Исследована зависимость спектрального распределения от полярности импульсного разряда и изменение этого распределения при переходе от стационарного разряда к ИР.
Показано, что при указанном переходе происходит многократное увеличение светоотдачи плазмы. При этом обнаружено, что для молекулярных газов происходит перераспределение энергии по спектру в УФ область.
В импульсно периодическом разряде исследована зависимость интенсивности излучения от времени и корреляция излучения и проходящей ВВИ. Исследовались линии, соответствующие переходам между уровнями, как с одинаковой, так и с различной мультиплетностью. Измерено излучательное время жизни терма,
который соответствует верхнему уровню (Зп2д) линии Я=292 нм молекулы брома.
Для Не и СО проведено исследование выхода излучения в зависимости от напряжения падающего импульса. Для Не обнаружено существование оптимума выхода излучения от амплитуды импульса. Оптимум достигается при значении приведенного поля 43 Б/(см-торр)
При исследовании разряда в смеси Hg+Ar обнаружен мощный импульс послесвечения плазмы. Выдвинуто и обоснованно предположение, что экспериментально наблюдаемый импульс послесвечения определяется высокой концентрацией наработанных в ра ряде метастабильных состояний аргона и иона ртути.
Сформулированы условия для повышения светоотдачи разряда в виде ВВИ и в смеси Хе и С12 достигнута мощность излучения равная 0.3 Вт/см3 с кпд равным 11%.
Практическая и научная ценность.
Разработанная и примененная в диссертации методика измерений, а таюке результаты проведенного исследования могут быть использованы:
-
При диагностике мощных разрядов наносекундной длительности
-
При разработке импульсных разрядных устройств наносекундного диапазона, например, мощных импульсных источников излучения, коммутаторах, газовых лазеров.
-
При исследовании злеменгарных процессов в низкотемпературной плазме.
4. Для создания теоретических моделей имлульсно периодического разряда в виде ВВИ.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Создание методики и результаты комплексных исследований ВВИ в разрядных трубках при амплитудах наносекундных импульсов напряжения 13-25 кВ.
-
Экспериментальные исследования энерговклада при распространении ВВИ в гелии, монооксиде углерода, броме, хлор метане и в смеси паров ртути и аргона.
-
Экспериментальные исследования излучения плазмы указанных газов при распространении ВВИ. Обнаружение смещения спектрального распределения в УФ область. Увеличение светоотдачи разряда в виде ВВИ по сравнению со стационарным разрядом. Измеренное радиационное время
жизни уровня (Зтг2д) молекулы брома.
4. Обоснование условий для оптимального преобразования
энергии ВВИ в УФ излучение и результаты исследований
излучения в эксимерной смеси Хе и CI.
Апробация работы.
Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 2-м международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново, 1995), 9-ой и 10-й конференциях по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-95 и -98 (Петрозаводск 1995, 1998.), 11th International Conference on Gas Discharge and Their Applications (Tokyo, 1995), Vlll-ой конференции no физике газового разряда, (Рязань, 1996), 13-th European Sectional Conference on the Atomic jnd Molecular Physics of Ionised Gases. (Poprad, 19S6), XII- международной конференции "Воздействие интенсивных потоков на вещество." (Трескол, 1997), 2-й международной научной конференции "Физика плазмы и плазменные технологии." (Минск, 1997), научных семинарах ЛИТ при МФТИ (1993-1998).
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Работа изложена на J п страницах текста, "/ рисунков, $ таблиц и списка литературы насчитывающего /УЄ наименований.
