Низкотемпературная плазма стационарных и импульсных разрядов в газах и вакууме и ее применение в электрофизических устройствах

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. Методами исследования являются: экспериментальное исследование и математическое моделирование с проверкой моделей компьютерным и физическим экспериментом. В отчетный период выполнения проекта были получены следующие основные результаты: 1) Выявлено, что в промежутке длиной 10 мм в водно-солевом 3% растворе NaCl в дистиллированной воде под действием импульсного напряжения амплитудой 500 В реализуется автоколебательный режим протекания тока, обусловленный последовательным появлением и исчезновением газовых микрополостей, экранирующих поверхность потенциального электрода. Показано корреляция сигнала датчика звукового давления и процессов образования газовых микрополостей в промежутке. 2) Проведена диагностика «плазменной» струи, получаемой на основе скользящего тлеющего разряда в системе электродов типа «скользящая дуга» с использованием специального диагностического электрода. Показано, что при питании разряда положительным напряжением ток в струе переносится ионами, а величина тока приблизительно равна максимальному току, способному проткать в промежутке в условиях ограничения пространственным зарядом ионов. При токе разряда 50…70 мА, приведенное электрическое поле в струе может превышать 5 В/см·Торр, при этом концентрация ионов в диагностическом промежутке изменяется от величины порядка 1·109 см-3 до 3·109 см-3. 3) Показано, что процесс коммутации в тиратроне существенно различен для случая внешнего инициирования и для условий статического пробоя. При внешнем инициировании нарастание тока обусловлено развитием плотного тлеющего разряда с полым катодом и сверхплотного тлеющего разряда со взрывоэмиссионными процессами на катоде. При статическом пробое на ранней стадии образуется отчетливо выраженное дуговое катодное пятно, на которое замыкается весь ток разряда. 4) Теоретически описан процесс накопления ионов в плоском газонаполненном промежутке, к которому приложено высокое статическое напряжение. Получены количественные оценки для статических пробивных напряженностей поля в зависимости от параметров микрорельефа поверхности автоэмиссионного катода и давления разреженного газа. Показано, что в зависимости от параметров микрорельефа автоэмиссионного катода пробивные напряженности поля могут изменяться в пределах от единиц до сотен кВ/см, причем они снижаются с ростом давления разреженного газа. Выявлены минимальные давления остаточного газа, ниже которых влиянием газа на электрическую прочность промежутка можно пренебречь. 5) Продемонстрирован устойчивый частотный режим работы (f = 1 имп/с) источника низкоэнергетических сильноточных электронных пучков на базе взрывоэмиссионного катода со встроенными в него дуговыми источниками плазмы. Показана принципиальная возможность дальнейшего увеличения частоты следования импульсов до 2‒3 имп/с. Испытана новая схема формирования плазменного анода с помощью сильноточного отражательного разряда, инициируемого электронами, эмитированными катодными пятнами дуговых источников плазмы, встроенными во взрывоэмиссионный катод сильноточной электронной пушки. В начальной части импульса, электронный пучок (до 30 кэВ), инжектируемый вдоль ведущего магнитного поля, вырождается в трубчатый. Это обеспечивает повышенную концентрацию заряженных частиц на периферии синтезируемого плазменного анода, что улучшает однородность распределения плотности энергии по сечению формируемого сильноточного электронного пучка. 6) На основе кинетического описания электронного и ионного ансамблей бесстолкновительной плазмы и самосогласованного электрического поля теоретически исследована начальная стадия функционирования плоского вакуумного диода с импульсно-периодическим режимом эмиссии катодной плазмы. В расчетах продемонстрирован фундаментальный механизм быстрого продвижения эмиссионной границы плазмы за счет чередования режимов «виртуального катода» и «горба потенциал» в стадиях «эмиссии» и «паузы» соответственно. Показано, что первеанс диода с плазменным катодом в начальной стадии его работы на порядок выше первеанса монополярного диода Чайлда-Ленгмюра. 7) Показана определяющая роль испарения анода в плазмообразовании как в разрядном промежутке в целом, так и в прианодном, и, что наиболее интересно, в прикатодном объемном факеле. 8) Установлены три вида новообразований, два из которых, «пятна» и «локальные предпробойные образования», соответствуют предпробойному состоянию, а «следы пробоя» – одно-эктонному разряду. Выдвинуто предположение о главенствующей роли тангенциальных механических напряжений в поверхностном слое катода в процессе генерации предпробойных приповерхностных дефектов и их скоплений, которые в свою очередь, являются инициаторами первых эктонов.