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

Отчёт 82 с., 1 кн., 34 рис., 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) Получены данные по режимам поддержания разряда в слаботочном коаксиальном плазмотроне и проведена диагностика плазменной струи в условиях, когда внутренний электрод плазмотрона находится под положительным потенциалом. Показано, что, в общем случае, поведение разряда схоже с условиями отрицательной полярности. Разряда в плазмотроне поддерживается в режиме тлеющего с контрагированным положительным столбом. Выявлено, что сигнал тока в струе имеет положительную полярности, а максимальный ток составляет 350 нА, что на два порядка ниже, чем для условий отрицательной полярности внутреннего электрода. 2) Проведена адаптация модели переноса тока в струе к условиям положительной полярности внутреннего электрода плазмотрона. Показано, что режим переноса тока соответствует ситуации, когда ток ограничивается пространственным зарядом ионов. Оценка концентрации ионов в струе дает величину порядка 109 см-3. 3) Проведена модернизация источника питания переменного напряжения. В ходе модернизации из схемы источника были исключены выпрямляющие выходные диоды. Проведены испытания источника питания на газоразрядной нагрузке. Показано, что поведение разряда в течение положительного и отрицательного полупериодов схоже с поведение разряда, когда питание разряда обеспечивалось источником постоянного напряжения положительной и отрицательной полярности соответственно. 4) На разборной конструкции тиратрона с холодным катодом с внешним напуском газа получены данные по величине паразитного тока, протекающего из узла запуска на основную катодную полость. Показано, что для случая, когда паразитный ток обусловлен потоком ионов, наличие этого тока даже при величине 100 мкА практически не приводит к снижению статического пробивного напряжения основного промежутка тиратрона. В случае, когда паразитный ток переносится электронами из плазмы разряда в узле запуска, наблюдается существенное снижение напряжения пробоя основного промежутка. 5) Выявлены условия, при которых происходит перехват тока разряда запуска через отверстие в электроде узла запуска на основную катодную полость. Показано, что, при отрицательной полярности импульса запуска, перехват тока происходит, когда длина области анодного падения потенциала для разряда становится сравнима или меньше радиуса отверстия в электроде узла запуска. Предложен качественный механизм переключения тока. 6) Проведены измерения времен запаздывания срабатывания тиратрона с узлом запуска на основе вспомогательного тлеющего разряда при различных расстояниях от узла запуска до катодной полости. Показано, что с увеличением расстояния с 4 мм до 10 мм время запаздывания срабатывания снижается со 140 нс до 70 нс. Выявлено, что основной причиной снижения времени запаздывания является то, что плазма разряда запуска занимает весь объем основной катодной полости. 7) Проведены исследования разборного тиратрона с холодным катодом с узлом запуска на основе импульсного разряда по поверхности керамики с высокой диэлектрической проницаемостью при анодном напряжении до 20 кВ и напряжении импульса запуска на уровне 3 кВ. Исследованы особенности разряда по поверхности и процессы инициирования и поддержания разряда в высоковольтном промежутке. Показано, что полное время запаздывания пробоя в тиратроне относительно момента прихода импульса запуска может изменяться в пределах (40–60) нс. При этом во всех случаях обеспечивается наносекундная стабильность запуска. 8) Исследован характер первичных морфологических изменений на поверхности медных катодов, возникающих под действием постоянного электрического поля напряженностью свыше 1 МВ/см. Установлено, что в отсутствие на поверхности электродов острий и других фактов, провоцирующих вакуумный пробой в относительно слабых полях, в вакуумном промежутке возможно достижение напряженности электрического поля свыше 1 МВ/см, при которой в материале электродов начинают активироваться процессы, составляющие "холодную" стадию развития вакуумного пробоя. Данный эффект связан с нарушением устойчивости кристаллического состояния поверхности металла при его погружении в электрическое поле напряженностью порядка единиц МВ/см. 9) Проведен цикл экспериментальных исследований методами скоростной видеорегистрации и осциллографии динамики каналирования сильноточной вакуумной дуги размыкания в дугогасительном промежутке с медно-хромовыми электродами, генерирующими поперечное собственное магнитное поле. Установлено, что на начальном этапе размыкания промежутка формируется малоподвижный интенсивный канал разряда, пространственно привязанный к месту инициирования дуги в приосевой области. Выход канала дуги в периферийную область промежутка сопровождается ускорением движения канала в азимутальном направлении и резким повышением напряжения горения и его модуляцией. Установлена корреляция длительности стадии малоподвижного канала с амплитудой тока и вероятностью отказа выключения тока. 10) Исследовано макроскопическое распределение плотности энергии по сечению НСЭП с использованием тепловизионной диагностики, а также его микронеоднородности с помощью секционированного цилиндра Фарадея с малым диаметром отверстий в диафрагме (не более 1,5 мм). Изучена динамика свечения катодной плазмы. Установлено, что распределение плотности энергии (тока) по сечению НСЭП, формируемого в пушке с кольцевой эмитирующей поверхностью, внешний радиус которой сравним с шириной ускоряющего зазора, имеет максимум в приосевой области. Наиболее ярко этот максимум выражен в отсутствие внешнего ведущего магнитного поля и в слабом поле (около 25 мТл), создаваемом кольцевым постоянным магнитом. Показано отсутствие микронеоднородностей миллиметрового масштаба. Установлено, что все источники плазмы срабатывают за время не более 50 нс при амплитуде импульса ускоряющего напряжения 8 кВ и выше. 11) На базе кинетического описания электронного и ионного ансамблей в самосогласованном электрическом поле детально смоделирован нестационарный процесс формирования электронного пучка в вакуумном диоде с плазменным эмиттером на катоде. Показано, что ускорение ионов к аноду из области катодной эмиссии, приводящее к расширению плазмы катодного факела, имеет сугубо электродинамическую природу, не связанную ни со спецификой геометрической неоднородности промежутка, ни с влиянием упругих рассеивающих электрон-ионных и ион-ионных столкновений. 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.