НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА СТАЦИОНАРНЫХ И ИМПУЛЬСНЫХ РАЗРЯДОВ В ГАЗАХ И ВАКУУМЕ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ

Отчет: 79 с., 1 ч., 42 рис., 3 табл., 1 прил. ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД, ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД В ПОТОКЕ ГАЗА, РАЗРЯД НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ, ВАКУУМНЫЙ РАЗРЯД Объектом исследования являются газовые разряды высокого и низкого давления, низкотемпературная плазма этих разрядов и вакуумные разряды. Целью работы является получение новых фундаментальных знаний в области физики газового разряда и создание научно-технических основ плазменных технологий. Методом исследования является экспериментальное исследование и компьютерное моделирование с проверкой моделей компьютерным и физическим экспериментом. В отчетный период выполнения проекта были получены следующие результаты. 1) На разборном макете разрядника высокого давления с внешним напуском газа получены данные по разбросу времен срабатывания. Показано, что при давлении азота 3 бар и зарядном напряжении 7.5 кВ разброс срабатывания относительно момента приложения импульса запуска составляет ± 2.5 нс. При этом фронт импульса тока в нагрузке по уровню (10 – 90) % составляет 3.2 нс. 2) Проведены исследования разряда в водном растворе 0.9% NaCl для условий, когда напряжение на разрядном промежутке лежит в окрестности критического напряжения, при котором возможно зажигание разряда в системе коаксиальных электродов. Получены данные по режимам горения разряда при положительной и отрицательной полярности центрального электрода. Показано, что при отрицательной полярности в промежутке зажигается тлеющий разряд со спонтанными переходами в искровой. При положительной полярности напряжения процесс перехода из тлеющего разряда в искровой подавляется и разряд горит в режиме тлеющего. 3) Проведены исследования барьерного разряда в потоке воздуха и кислорода. Получены данные по концентрации озона в плазменной струе на выходе электродной системы при различных частотах повторения импульсов. Показано, что с увеличением частоты следования импульсов концентрация озона увеличивается. При частоте следования импульса 4.2 кГц удается получить концентрацию озона на уровне 0.8 г/м3 для разряда в воздухе и 4.1 г/м3 для разряда в кислороде. 4) Проведены исследования вспомогательного тлеющего разряда с полым катодом и полым анодом в узле запуска тиратрона с холодным. Получены вольтамперные характеристики разряда и проведены измерения паразитных токов в различных режимах горения разряда. Выявлено, что при питании разряда положительным напряжением паразитный ток обусловлен потоком ионов с границы плазмы. 5) Проведен цикл теоретических исследований процессов ионизации в газах высокого и низкого давления при высоких величинах приведенных электрических полей E/p. Методом Монте-Карло рассчитан ток разряда вблизи минимума кривой Пашена, когда достигаются высокие приведенные электрические поля 200–660 В/(см×Торр). Показано, что убегающие электроны вносят существенный вклад, как в расширение электронного облака, так и в ионизационное усиление начального эмиссионного тока 6) Проведен цикл теоретических исследований кинетики заполнения плазмой низкого давления как вакуумного, так и газонаполненного плоского промежутка. Показано, что заполнение плазмой вакуумного диода происходит с нетепловыми скоростями ансамблей заряженных частиц, а определяется глубиной потенциальной ямы, формируемой в прикатодной области на самых ранних стадиях расширения. 7) Теоретически продемонстрировано, что процесс развития пробоя газоразрядного промежутка низкого давления сопровождается кратковременной стадией горба потенциала, на которой формируется импульсный поток высокоэнергетичных ионов на анод. 8) Показана возможность по улучшению качества вакуумной изоляции путем тренировки каждого электрода серией короткоимпульсных пробоев под плазмой и последующего импульсного плавления поверхностного слоя низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком. Такая тренировка приводит к удалению крупных примесных включений, ограничивающих электрическую прочность вакуумных промежутков между электродами из нержавеющей стали; 9) Продемонстрирована высокая эмиссионная способность (средняя по площади плотность тока) данного катодного узла, превосходящая в 1.4−2.3 раза аналогичную величину для случая традиционной пушки с плазменным анодом и многопроволочным медным взрывоэмиссионным катодом. В оптимальных режимах работы, катодный узел обеспечивает относительный разброс тока пучка на коллектор в 2−3 раза меньший, чем в случае наиболее часто использовавшегося ранее многопроволочного медного катода. Подтверждена возможность работы данной сильноточной электронной пушки при амплитуде ускоряющего напряжения от 5 до 30 кВ; 10) Установлена пространственно-спектральная структура сильноточной вакуумной дуги и ее динамика при переходе от диффузного режима горения к режиму с активным анодным пятном и выраженным каналом разряда. По направлениям исследований проекта опубликовано 17 статей в научных журналах. Результаты могут быть использованы при дальнейшем развитии исследований и в опытно-конструкторских разработках в области сильноточной импульсной электроники, а также вакуумной и плазменной электроники и пучково-плазменных технологий обработки материалов.