Пространственно-временная динамика формирования плазменных структур в высоковольтных наносекундных электрических разрядах в инертных газах

Объект исследования: нестационарная неравновесная плазма поперечных наносекундных разрядов с катодами с различной кривизной поверхности. Цель: комплексное экспериментальное исследование пространственно-временной динамики развития высоковольтных поперечных наносекундных разрядов в инертных газах и формирования плазменных структур в таких разрядах. На базе скоростной фотокамеры PI-MAX3 разработана методика исследования динамики развития пространственной структуры поперечных наносекундных разрядов с катодом с различной кривизной поверхности с временным разрешением до 2 нс. В широком диапазоне изменения давлений газа в разрядной камере (1 – 100 Тор) и амплитудах прикладываемого к электродам напряжения (0,1 – 5 кВ) экспериментально исследованы электрические, оптические характеристики и динамика развития поперечных наносекундных разрядов. В этих же условиях исследована пространственно-временная динамика формирования и поведения упорядоченных плазменных структур в разрядном промежутке. Установлено, что в зависимости от значений параметра E/N и плотности электронов ne существуют три различные формы функционирования исследованного наносекундного разряда, а именно: стратифицированный разряд, однородный объемный разряд с пучком электронов и сильноточный плотный разряд с областями кумуляции электрического поля и заряженных частиц. Определены границы по давлению газа, при которых происходит формирование периодической плазменной структуры в виде стоячих страт в разряде в инертных газах. Установлены критические значения напряжения горения и разрядного тока на верхней границе области формирования страт в He, Ne и Ar. Экспериментально установлено, что периодическая плазменная структура формируется на стадии формирования самого разряда и длительность ее существования составляет от 50 нс до 1 мкс. С ростом давления газа в камере, атомного веса рабочего газа и значения прикладываемого к электродам напряжения длительность существования плазменной структуры в разряде уменьшается. Показано, что в исследуемых условиях основными процессами, участвующими в формировании плазменной структуры, являются прямая ионизация электронным ударом и дрейфовый перенос электронов в электрическом поле, формируемом объемным зарядом ионов, и обнаруженная периодическая плазменная структура имеет ионизационно-дрейфовую природу. Установлено, что динамика развития разряда с катодом с прямоугольной полостью состоит из двух стадий и отличается от динамики развития разрядов с плоским катодом и катодом с полукруглой полостью. Экспериментально установлен эффект формирования виртуального анода из плазменной структуры у выхода из полости катода при высоких значениях прикладываемого напряжения и исследована динамика формирования виртуального анода. Установлено, что периодическая плазменная структура формируется на стадии формирования разряда и сохраняется до его завершения. Длительность существования плазменной структуры примерно совпадает с длительностью импульса тока. С ростом давления газа в разрядной камере, атомного веса рабочего газа и значения прикладываемого к электродам напряжения длительность существования плазменной структуры в разряде уменьшается. Построена аналитическая модель формирования упорядоченных плазменных структур в импульсных разрядах наносекундной длительности. Выполнено двумерное осесимметричное моделирование поведения пространственного распределения параметром импульсного объемного разряда в гелии высокого давления в ходе его формирования в условиях предварительной ионизации газа. Показано, что сначала происходит поляризация плазмы вблизи катода. В результате поляризации напряженность электрического поля возрастает, и в некоторый момент времени в поляризованном слое становиться существенной ударная ионизация, т.е. формируется в промежутке катодонаправленная волна ионизации. С приходом катодонаправленной волны ионизации к катоду происходит формирование области прикатодного падения потенциала, а также формирование прианодного слоя. Обнаружено, что в прикатодной области вдоль электродов возникает поперечная неустойчивость, т.е. происходит расслаивание разряда на множество токовых нитей. Причем за время развития разряда эта неустойчивость не успевает развиться в объеме промежутка. При этом чем меньше концентрация электронов предионизации, тем больше количество токовых нитей. Однако при увеличении величины прикладываемого поля количество токовых нитей уменьшается, и при напряжениях выше 12 кВ они исчезают. Аналитически моделируется обнаруженная структуризация наносекундного разряда с полым катодом (страты) в аргоне. Сравнением с экспериментами доказывается, что страты в наносекундных разрядах обусловлены дрейфом электронов и прямой ионизацией электронным ударом и поэтому являются ионизационно-дрейфовыми 3D-волнами. Обсуждены неоднородные положительно заряженные плазменные светящиеся 3D-структуры, фокусирующие в фокусы электроны, рождаемые на периферии положительно заряженных структур. С помощью подхода, основанного на использовании кинетического уравнения в дробных производных по времени, исследуются пространственная структура и два вида неустойчивости в газовом разряде: неустойчивость электронной лавины и прилипательная неустойчивость в несамостоятельном разряде. Приведены рассчитанные зависимости параметра неустойчивости λ от порядка дробной производной при различных значениях угла θ и зависимости параметра неустойчивости λ от угла θ при различных значениях порядка дробной производной.