Импульсно-периодический высоковольтный наносекундный разряд в газах высокого давления, инициируемый убегающими электронами в неоднородном электрическом поле – перспективный способ генерации плотной неравновесной низкотемпературной плазмы и сверхбыстрой коммутации электрических цепей.

Плотная неравновесная низкотемпературная плазма является средой, представляющей интерес как с практической, так и с научной точек зрения. Ряд практических задач, которые могут быть решены при использовании указанной субстанции, достаточно обширен. Так, например, она представляет интерес для развития технологий, связанных с воздействием на газы, жидкости и поверхности твердых тел, решением задач медицины, управлением процессами горения и аэродинамическими потоками в авиакосмической отрасли и т.д. В связи с этим актуальность исследования физических процессов при формирования неравновесной низкотемпературной плазмы в плотных средах, а также создания устройств на основе такой плазмы крайне высока. Среди существующих способов создания неравновесной низкотемпературной плазмы особое место занимает высоковольтный наносекундный разряд в газе, инициируемый убегающими электронами [L.P. Babich. High-Energy Phenomena in Electric Discharges in Dense Gases: Theory, Experiment, and Natural Phenomena Futurepast: Arlington, VA, 2003; Runaway electrons preionized diffuse discharge / Edited by V. F. Tarasenko. – Nova Science Publishers Inc., 2014]. Особенностью данного типа электрического разряда является возможность создания плотной диффузной плазмы в различных газовых средах, давлением сотни-тысячи мбар, без перехода в режим контракции. Естественно, данное обстоятельство имеет место не при всех возможных комбинациях газовых сред и давлений. Однако, при зажигании такого разряда даже в тяжелых инертных и электроотрицательных газах при давлениях порядка атмосферного и выше, за счет генерации убегающих электронов, удается сформировать неравновесную низкотемпературную плазму, остающуюся таковой в течение всего времени протекания разрядного тока. Для зажигания диффузного разряда в газе или смеси газов высокого давления используются промежутки с резко неоднородным распределением напряженности электрического поля. Для этого применяются электродные блоки, в которых по крайней мере один из электродов (чаще катод) имеет форму с малым радиусом кривизны (конус, тонкостенная трубка, проволока, лезвие и т.п.). Подача на такой газовый диод импульсов напряжения с длительностью фронта доли-единицы наносекунд и амплитудой десятки сотни киловольт приводит к быстрому пробою межэлектродного зазора, за счет возникающей волны ионизации, и формированию сильноточного разряда [M. I. Lomaev, D. V. Beloplotov, V. F. Tarasenko, and D. A. Sorokin. Breakdown features of a high voltage nanosecond discharge initiated with runaway electrons at subnanosecond voltage pulse rise time // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – 2015. – Vol. 22. – Is. 4. – P. 1833-1840]. Следует отметить, что на этих временных масштабах процессы, происходящие на стадии пробоя, кардинальным образом отличаются от таковых при больших фронтах и длительностях возбуждающих импульсов. В частности, явление убегания электронов, условия для которого достигаются на стадии пробоя, играет значительную роль в формировании плотной диффузной плазмы, имеющей низкую температуру тяжелых частиц и большие перспективы практического применения в качестве основы технических устройств и технологических процессов. Также, невозможно не отметить протекающую за столь короткие времена фазу пробоя и реализующиеся при этом достаточно высокие значения напряженности электрического поля и тока смещения, что в совокупности указывает на перспективность использования высоковольтного наносекундного разряда, инициируемого убегающими электронами, в качестве основы для создания устройств, позволяющих коммутировать запасенную в источнике энергию за времена доли-единицы наносекунд. Несмотря на то, что исследования данного типа разряда ведутся уже не один десяток лет [Тарасова Л. В., Худякова Л. Н. Рентгеновское излучение при импульсных разрядах в воздухе / // Журнал технической физики. – 1969. – Т. 39, вып. 8. – С. 1530–1533; L.P. Babich. High-Energy Phenomena in Electric Discharges in Dense Gases: Theory, Experiment, and Natural Phenomena Futurepast: Arlington, VA, 2003; Runaway electrons preionized diffuse discharge / Edited by V. F. Tarasenko. – Nova Science Publishers Inc., 2014], все еще остается ряд сложных вопросов, решение которых будет способствовать не только развитию теории явления, но и ускорит его внедрение в область практического применения. Важно отметить, что к настоящему времени накоплен большой массив экспериментальных данных, относящихся к явлениям, происходящим при зажигании высоковольтного наносекундного разряда в газонаполненном диоде с резко неоднородным распределением электрического поля в режиме возбуждения однократными импульсами напряжения [S.M. Starikovskaia, et al. / Pulsed breakdown at high overvoltage: development, propagation and energy branching // Plasma Sources Sci. Technol. 10 (2001) 344; H.G. Krompholz, et al. / Phenomenology of subnanosecond gas discharges at pressures below one atmosphere // IEEE Trans. Plasma Sci. 34 (2006) 927–936; G.J.J. Winands, et al. / Temporal development and chemical efficiency of positive streamers in a large scale wire-plate reactor as a function of voltage waveform parameters // J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) 3010-3017; Yu.D. Korolev, N.M. Bykov, S.N. Ivanov / Subnanosecond Processes in the Stage of Breakdown Formation in Gas at a High Pressure // Plasma Phys. Rep. 34 (2008) 1022–1027; S. Yatom, et al. / Space- and time-resolved characterization of nanosecond time scale discharge at pressurized gas // J. Appl. Phys. 109 (2011) 073312; I. Yagi, et al. / Streamer propagation of nanosecond pulse discharge with various rise times // IEEE Trans. Plasma Sci. 39 (2011), 2232-2233; A. Starikovskiy / Fast ionization wave development in atmospheric-pressure air // IEEE Trans. Plasma Sci. 39 (2011) 2602-2603; T. Shao, et al. / Spots on electrodes and images of a gap during pulsed discharges in an inhomogeneous electric field at elevated pressures of air, nitrogen and argon // Plasma Sources Sci. Technol. 23 (2014) 054018; F. Pechereau , et al. / Large Conical Discharge Structure of an Air Discharge at Atmospheric Pressure in a Point-to-Plane Geometry // IEEE Trans. Plasma Sci. 42 (2014) 2346; D.V. Beloplotov, et al. / Inverted polarity effect at the subnanosecond highvoltage breakdown of air // IEEE Trans. Plasma Sci. 43 (2015) 3808-3814; V.F. Tarasenko, D.V. Beloplotov, M.I. Lomaev / Dynamics of Ionization Processes in High-Pressure Nitrogen, Air, and SF6 during a Subnanosecond Breakdown Initiated by Runaway Electrons // Plasma Phys. Rep. 41 (2015) 832; P. Tardiveau, et al. / Sub-nanosecond time resolved light emission study for diffuse discharges in air under steep high voltage pulses // Plasma Sources Sci. Technol. 25 (2016) 054005]. При этом важно отметить, что с практической точки зрения наиболее интересен импульсно-периодический режим, который к настоящему времени остается слабо изученным. Так, например, вопросы, касающиеся физических процессов, происходящих на стадии пробоя и в режиме установившегося разряда, а также определения фундаментальных параметров плазмы при возбуждении плотных газофазных сред высоковольтными импульсами напряжения с высокой скоростью нарастания, следующих с высокой частотой, во многом остаются открытыми. В то же время, данная информация крайне важна с точки зрения практического использования данного типа разряда. В связи с этим, в рамках данного проекта предполагается проведение цикла исследований, результаты которых призваны привнести фундаментальное знание о явлении высоковольтного наносекундного разряда, инициируемого убегающими электронами в импульсно-периодическом режиме, а также, определить возможности его применения на практике.