Экспериментальное и теоретическое исследование развития волны ионизации в импульсном разряде аргона высокого давления в коротких перенапряженных промежутках

За отчетный период, на который представлен грант, выполнено комплексное экспериментальное и теоретическое исследование развития волны ионизации в импульсном разряде аргона высокого давления в коротких перенапряженных промежутках. Проведена модернизация экспериментальной установки по получению и исследованию параметров плазмы импульсного разряда в инертных газах высокого давления при различных начальных условиях. Экспериментально исследована пространственно-временная динамика формирования и развития импульсного разряда (с применением ФЭР-2) в инертном газе аргоне атмосферного давления между плоскими круглыми параллельными электродами площадью S = 12 см2 и межэлектродным расстоянием d = 1 см, в диапазоне напряжений от статистического пробойного (Uст= 6.8кВ при d=1 см, р = 1 атм) до сотни процентов перенапряжения W = 200 % (до 20кВ). Исследования выполнены при наличии предыонизации промежутка (n0=1.0e8 cм-3). Разработана двумерная модель разряда, где газоразрядная плазма рассматривается как сплошная многокомпонентная среда, состоящая из заряженных (e, Ar+, Ar2+) и возбужденных (Ar(1s2), Ar(1s3), Ar(1s4), Ar(1s5) Ar(h1), Ar2*) частиц. Рассчитаны пространственно-временные распределения концентрации компонент плазмы (электронов, ионов, молекулярных ионов, возбужденных атомов, электрического поля, потенциала). Показано, что в предварительно ионизированной газовой среде (n0 = 108 см-3) при перенапряжениях W=10-100 % возможна объемная форма устойчивого горения разряда. Показано, что формирование плазменного столба происходит в процессе распространяется к катоду волны ионизации со скоростью (2-5)*107 см/с. По мере продвижения фронта свечения к катоду электронная концентрация в нем возрастает и достигает значений 1013-1014 см-3, а волна ускоряется. Показано, что в случае неоднородной предыонизации газа в объеме межэлектродного пространства формирование импульсного разряда в аргоне происходит за счет распространения двух волн ионизации, распространяющихся в противоположных направлениях к аноду и катоду. Установлено, что скорость движения фронта для анодонаправленной волны ионизации выше катодонаправленной. В процессе распространения увеличивается поперечный размер волны и наибольшая скорость достигается на оси разрядного промежутка, которая со временем увеличивается. В двумерной осесимметричной поставке представлено сравнение развития ионизационных волн в аргоне, исследованных как с помощью относительно простой модели с одним возбужденным уровнем, так и с использованием разработанной модели с учетом шести возбужденных состояний. На основе сравнения, полученных скоростей развития волн ионизаций с экспериментальными данными, показана важность выбора транспортного сечения рассеяния электрона на атомах аргона. Показано, что в аргоне до замыкания межэлектродного промежутка высокопроводящим каналом убыль возбужденных частиц, как за счет высвечивания, так и за счет пенговоскй ионизации и тушения оказалась несущественной, по крайней мере для pd~103 Торр•см. Кроме того, методом Монте-Карло рассчитаны, кинетические характеристики дрейфа электронов в аргоне в присутствии паров железа при напряженности электрического поля E/N=1-100 Тд с учетом неупругих столкновений. Проанализировано влияние концентрации паров металла на скорость дрейфа, среднюю энергию электронов, коэффициенты диффузии и подвижности. Также рассчитан ионизационный коэффициенты Таунсенда. Приведено сравнение функции распределения электронов с распределениями Максвелла и Дрювистейна. Показано, что даже незначительные добавки атомов железа в аргон, начиная с долей процента, сильно влияют на разряд, в особенности, на характеристики неупругих процессов. Рассчитаны и протабулированы диффузионно-дрейфовые характеристики ионов металла (Сu, Hg, Fe) в аргоне в зависимости от приведенной напряженности электрического поля – средняя энергия ионов, их продольная и поперечная температуры, коэффициенты диффузии вдоль и поперек направления поля. Исследована функция распределения ионов по скоростям и угловая зависимость ионов, бомбардирующих поверхность катода. Установлено наибольшее влияния, как поля, так и температуры газа на функции распределения ионов ртути в аргоне.