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

Отчёт 92 с., 1 кн., 37 рис., 4 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 и вакуумных 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) Проведены исследования начальных стадий развития импульсного разряда в воде с добавками NaCl (30 г на литр дистиллированной воды) в окрестности так называемого порогового напряжения, которое достаточно для инициирования разряда в тонком паровом слое, формируемом на поверхности активного острийного электрода при кипении раствора. Типичный уровень порогового напряжения составляет около 1 кВ. Показано, что в отличие от общепринятых представлений, полная экранировка поверхности электрода слоем пара не является обязательным условием для инициирования разряда. Разряд может возникать также и в случае, когда только часть поверхности активного электрода покрыта паровым слоем. 2) Получены экспериментальные данные по режимам поддержания разряда в потоке воздуха для системы электродов типа коаксиального плазмотрона и скользящей дуги в диапазоне токов разряда (50 – 200) мА. Показано, что для обоих систем электродов имеет место один и тот же тип разряда, а именно нормальный тлеющий разряд, на который накладываются спонтанные переходы в искру. Выявлено, что положительный столб разряда поддерживается в контрагированном режиме с характерным диаметром около 0.4 мм. Проведены оценки параметров положительного столба разряда. Показано, что плотность электронов в плазме положительного столба и температура газа в столбе увеличиваются с ростом тока разряда и составляют ne = (0.53–2.3)⋅1014 1/см3 и TPC = (3000–3610) К, соответственно. Приведенное электрическое поле, необходимое для поддержания процессов ионизации в столбе, относительно невелико и уменьшается с ростом плотности тока от 13.5 до 7.8 В/см⋅Торр. 3) Проведены исследования тлеющего разряди низкого давления с полым катодом в условиях, типичных для работы узлов запуска тиратронов с холодным катодом. Получены данные по распределению тока по поверхности катода для различных режимов поддержания разряда. Выявлено, что разряд может поддерживаться в следующих режимах: Таунсендовский разряд в области напряжений зажигания разряда в промежутке; затрудненный тлеющий разряд с полым катодом, характеристикой которого является то, что размер области катодного падения потенциала сравним или превышает радиус катодной полоти; переходной режим от затрудненного к обычному тлеющему разряду с полым катодом, на котором длина области отрицательного свечения увеличивается с ростом тока разряда; обычный тлеющий разряд, для которого область отрицательного свечения занимает катодную полость по все длине. 4) Для обычного тлеющего разряда с полым катодом разработана теоретическая модель, позволяющая оценить параметры разряда. Расчетные значения скорости ионизации и концентрации электронов в области отрицательного свечения при токах разряда (1.6-10) мА лежат в диапазоне (1.7–5.2) 1014 см-3 с-1 и (1.7–8.7) 108 см-3 соответственно. Показано, что необходимым условием поддержания плазмы отрицательного свечения является наличие отрицательного потенциального барьера на границе плазмы. 5) Проведены измерения импульсной электрической прочности плоских вакуумных промежутков на основе электродов, содержащих поверхностные аморфные металлические слои. Дано сравнение с электрической прочностью вакуумных промежутков на основе электродов, поверхность которых имеет нанокристаллическую структуру после импульсной переплавки электронным пучком. Отмечены чрезвычайно низкие уровни статистических разбросов электрической прочности вакуумных промежутков с аморфными поверхностными слоями. Предполагается, что причина низкого разброса электрической прочности связана с отсутствием в аморфном материале выделенных плоскостей легких сдвиговых деформаций; 6) Исследованы процесс формирования и некоторые характеристики сильноточного электронного пучка в зависимости от давления и рода рабочего газа (аргон, воздух, гелий), наполняющего диод, а также от индукции внешнего ведущего магнитного поля. Инициирование взрывной эмиссии осуществлялось с помощью дуговых источников плазмы, встроенных в дисковый медный катод. Показано, что ток пучка и его энергия в импульсе монотонно растут с увеличением индукции ведущего магнитного поля. Зависимость энергии пучка в импульсе от давления газа, напротив, является немонотонной: сначала она растёт с увеличением давления, а затем падает, что связано с развитием плазменно-пучкового разряда, приводящего к падению импеданса диода и сокращению длительности импульса пучка; 7) Методами скоростной видеорегистрации и спектроскопии исследована пространственно-спектральная структура канала сильноточного вакуумно-дугового разряда с электродами из различного материала (Сu-Cr и Мо) в условиях контрагирования дуги собственным азимутальным магнитным полем и в условиях подавления контрагирования прикладыванием внешнего аксиального магнитного поля. Установлено, что в условиях генерирования интенсивного анодного пятна его структура может иметь комплексный слоистый характер, а свечение катодного факела в значительной степени обусловлено излучением нейтральных и ионизованных атомов материала анода. Подавление контрагирования сопровождается существенным ослаблением присутствия слабоионизованных компонентов материала анода в катодном факеле. 8) На основании условия самостоятельности разряда показано, что слабая неоднородность электрического поля в разрядном промежутке приводит к повышению статического пробивного напряжения по сравнению с законом Пашена. Сильная неоднородность поля в диодах коаксиальной и сферической геометрии не может обеспечить снижение минимального напряжения пробоя по сравнению со случаем плоскопараллельного промежутка. Доказано, что из всех симметричных геометрий газонаполненного диода наименьшим напряжением пробоя обладает плоская геометрия. 9) Теоретически продемонстрировано, что процесс развития пробоя газонаполненного диода низкого давления сопровождается кратковременной стадией горба потенциала, на которой формируется импульсный поток высокоэнергетичных ионов на анод. 10) Исследован на качественном уровне механизм функционирования вспомогательного разряда ускорителя электронов с плазменным эмиттером. Используя представление о вспомогательном разряде как о двух диодах (плоском и цилиндрическом), которые согласованы слоем проводящей плазмы, был оценен диапазон напряжений в катодном и анодном слое. Для малых токов разряда оценка хорошо согласуется с полученными ранее экспериментальными результатами. 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.