17 УДК 537.523:537.527 ВЗРЫВНЫЕ ПРОЦЕССЫ НА КАТОДЕ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ НАНОСЕКУНДНОГО ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Акад. НАН Азербайджана, докт. техн. наук, проф. ГАШИМОВ А. М., докт. техн. наук МЕХТИЗАДЕ Р. Н., инженеры БОНДЯКОВ А. С., КЯЗУМОВ Ш. А. Институт физики НАН Азербайджана Пробой газов при давлениях от десятков до тысяч торр под действием им- пульсов высокого напряжения наносекундной длительности исследуется дол- гое время [1, 2]. В связи с успехами техники высоковольтных наносекундных импульсов усилился интерес к наносекундным разрядам в газах. Несмотря на быстрый рост числа экспериментальных исследований [3, 4] 18 и технических применений [5, 6] наносекундных газовых разрядов, переход к новому временному масштабу не повлек за собой соответствующего пере- смотра фундаментальных положений классических моделей пробоя, разрабо- танных для условий, близких к статическим [7, 8], хотя еще в [3] определены качественно новые черты газовых разрядов в наносекундном диапазоне вре- мени. При достаточно больших перенапряжениях закономерности пробоя плот- ных газов в развитии всего газоразрядного процесса отличаются от законо- мерностей классических форм разрядов. Несоответствие общепринятым ло- кальным моделям особенно проявляется при перенапряжениях ∆ >> 1. Действительно, с ростом ∆ параметры разряда резко изменяются, и энергия направленного движения электронов сравнивается с полной кине- тической энергией. Это приводит к тому, что на фронте стримера могут гене- рироваться «убегающие электроны» при E0 < Eкр, где Eкр – критическая напряженность поля, обеспечивающая непрерывное ускорение электронов, начиная с тепловых энергий Te ≅ 1–10 эВ [9]. Начиная с некоторых достаточно больших E0, вытеснение поля на фронт стримера вследствие его поляризации осуществляется за время порядка времени движения «убегающих электронов» вблизи фронта. В результате реализуется синхронное движение области уси- ливающегося краевого поля и ускоряющихся электронов [10–12]. С ростом ∆ выход фотонов из лавин резко снижается [3]. Более того, при ∆ >> 1 это не является принципиальным, так как «убегающие электроны» обеспечивают высокую скорость распространения ионизованной области к аноду, а сопут- ствующее рентгеновское излучение, ионизуя газ и вызывая фотоэффект на катоде, обусловливает движение като- донаправленного фронта ионизации. И, наконец, поскольку при ∆ >> 1 пробой инициируется автоэлектронной эмиссией [3, 4, 12] и первичная лавина стано- вится критической вблизи точки инициирования ∼100 мкм от катода, проис- ходит самосогласованное усиление поля положительного объемного заряда и автоэлектронной эмиссии [13]. В [13–15] выполнены исследования оптического излучения объемных раз- рядов в воздухе при атмосферном давлении. В спектрах прикатодной плазмы обнаружены континуум с характерным максимумом, а также по- лосы второй положительной системы молекулы N2, линии NII, линии HI (656, 285 нм) и линии атомов материала катода. В случае катода из нержавеющей стали наблюдалось более 100 линий FeII и 17 линий CrII. Линии ионов с более высокой кратностью ионизации не обнаружены. Настоящая статья посвящена исследованию взрывных процессов на катоде при формировании наносекундного импульсного разряда в воздухе при раз- личных параметрах газового промежутка. Экспериментальная установка и методика измерений. Эксперименты проводились на установке, созданной на базе малогабаритного генератора импульсов напряжения 100 кВ и позволяющей проводить регистрацию нано- секундных импульсов высокого напряжения, прикладываемых к газовому промежутку, с электронно-оптической хронографией свечения, сопровождающего предпробойные и пробойные процессы в промежутке. Ис- пользовалась электродная система плоский электрод – электрод с малым ра- 19 диусом кривизны, что обеспечивало усиление поля у потенциального элек- трода-катода. Катод был выполнен в виде трубки из стальной фольги диаметром 6 мм и толщиной 110 мкм или из стального шара диаметром 9,5 мм. Плоский элек- трод изготовлен из латунной пластинки и соединен с корпусом камеры через шунт. В качестве плоского электрода также использовался сетчатый анод. При установке сетчатого анода фотографировалось свечение разряда в про- межутке с торца. Для регистрации импульсов напряжения использовался емкостной дели- тель. Ток разряда регистрировался с помощью шунта, собранного из малоин- дуктивных резисторов. Для измерения электрических сигналов использовался осциллограф TDS6604 (6GHz, 20GS/s). Датчики с осциллографом соединялись широкополосными коаксиальными кабелями. Интегральная картина свечения разряда снималась через сетку или окно фотоаппаратом SONY A100. На генераторе имелась возможность изменять полярность импульса напряжения на электроде с малым радиусом кривизны. Измерения проводились только после длительной тренировки поверхности электродов импульсами высокого напряжения. На газовый промежуток подавались импульсы напряжения отрицательной полярности амплитудой 100 кВ, фронтом около 1 нс по уровням 0,1−0,9 и шириной на полувысоте около 2 нс (рис. 1). Рис. 1. Осциллограмма импульса напряжения Импульсный разряд короткой длительности возбуждался в воздушном промежутке в резконеоднородном поле при различных давлениях возду- ха p = 1–3 атм. Потенциальным электродом – катодом служили стальной стержень с различным радиусом кривизны r = 1–4 мм и алюминиевый шар диаметром 16 мм. В качестве анода использовалась медная пластина. На разрядный промежуток поочередно подавали импульсы отрицательной полярности с амплитудой 80 кВ и длительностью фронта 8 нс. До возбужде- ния разряда электроды подвергали электрохимической обработке. Два элек- трода (катод и графитовый) опускали в раствор дистиллированной воды (80 %) и FeSO4 (20 %). Обработка проводилась в течение 20 мин. После нее катод высушивался и подвергался воздействию импульса высокого напряжения. До возбуждения импульсного разряда и после разрядного процесса рабочая по- верхность электрода тщательно исследовалась с помощью отражающего мик- роскопа МПСУ-1 и фотографировалась цифровой камерой SAMSUNG S 500 10 0 кВ 1 нс 20 Digimax 5.1x. Микрофотографии рабочей поверхности катода с различными радиусами кривизны r = 1–8 мм приведены на рис. 2. а б в г д е ж з и Рис. 2. Фотографии поверхностей электродов с различными радиусами кривизны до и после импульсного разряда при различных давлениях воздуха: а – стержень, r = 1 мм, до разряда; б – то же, p = 1 атм, после разряда; в – то же, p = 3 атм, после разряда; г – стержень, r = 4 мм, до разряда; д – то же, p = 1 атм, после разряда; е – то же, p = 3 атм, после разряда; ж – шар, r = 8 мм, до разряда; з – то же, p = 1 атм, после разряда; и – то же, p = 3 атм, после разряда Результаты экспериментов. До возбуждения наносекундного разряда на поверхности электрода имеются микронеоднородности – вискеры, на месте которых после взрыва образуются микрократеры диаметром 40–180 мкм. На некоторых снимках они расположены группами, а на некоторых – отдельно и окружены оплавленной поверхностью. Характер эрозии зависит как от термо- динамических характеристик материала электрода, его радиуса кривизны, так и от давления газа в разрядном промежутке. При пониженных давлениях эро- зия выражена меньше. Кривые зависимости раз- меров микрократеров от параметров газового промежутка приведены на рис. 3. Размеры микрократеров на поверхности стержня (r = 1 мм) увеличиваются с 70 мкм при p = 1 атм до 130 мкм при p = 3 атм. Следует отметить, что при p = 1 атм микрократеры расположены группами, а при p = 3 атм наблюдается единичный микрократер большего диаметра. С увеличением радиуса кривиз- 0,07 мм 0,13 мм 0,05 мм 0,04 мм 0,08 мм 0,175 мм 0,25 мм 0,045 мм 0,1 мм 21 ны потенциального электрода r = 4 мм и при p = 1 атм размеры отдельных микрократеров несколько меньше по сравнению с r = 1 мм и расположены они разрозненно по рабочей поверхности электро- да. С повышением давления до p = 3 атм размеры микровпадин несколько увеличиваются. Как видно из рис. 2ж–и, поверхность алюминиево- го шара (r = 8 мм) не идеальна. При p = 1 атм после приложения к электроду импульса высокого напряжения на поверхности шара также обра- зуются микровпадины, но значительно больших размеров. С увеличением давления воздуха до p = 3 атм их размеры несколько уменьшаются. а б 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Рис. 3. Зависимость размеров микрократеров на электродах (катодах) от параметров газового промежутка: а – от давления воздуха (кривые 1–3); б – от радиуса кривизны электрода при различных давлениях воздуха; 1 – р = 1 атм; 2 – р = 3 атм Следует отметить, что количество микронеоднородностей на рабочей по- верхности электродов с малым радиусом кривизны (r = 1 мм) намного мень- ше, чем на других электродах, поэтому при воздействии импульса высокого напряжения напряженность поля концентрируется на малом количестве вис- керов. Это, в свою очередь, приводит к мощной взрывной эмиссии электронов с каждого отдельно взятого микроострия и, при давлениях, выше атмосферно- го, – к образованию на месте взрыва больших микрократеров. Усилением по- ля в зоне микроострий при резконеоднородном поле и при высоком давлении можно объяснить значительное увеличение размеров микрократеров на по- верхности стержня (r = 1 мм) при p = 3 атм. С увеличением радиуса кривизны потенциального электрода количество микронеоднородностей на рабочей по- верхности увеличивается. В результате этого происходит ослабление напря- женности поля на отдельно взятой неоднородности, что соответственно при- водит к ослаблению взрывных процессов на отдельных вискерах, уменьше- нию размеров микрократеров и увеличению их общей площади. Взрывообразное изменение микрорельефа поверхности катода обусловле- но в основном импульсным нагревом микровыступов током термоавтоэлек- тронной эмиссии критической плотности. Наряду с джоулевым нагревом микроэмиттера следует учитывать ударный разогрев ионами газоразрядной плазмы, приобретающими значительную энергию в усиленном поле вблизи микровыступа, фокусирующем ионы. Этот фактор существенно облегчает взрывную электронную эмиссию в газовом разряде. Ра зм ер ы м ик ро кр ат ер ов , м м 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Ра зм ер ы м ик ро кр ат ер ов , м м 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 22 В Ы В О Д Ы Согласно результатам исследований можно предложить следующий меха- низм процессов, происходящих при формировании наносекундного импульс- ного разряда при повышенных давлениях воздуха. После приложения к раз- рядному промежутку импульса высокого напряжения происходит локальное усиление поля на микронеоднородностях потенциального электрода. Процес- сы бурной ионизации вблизи катода приводят к образованию лавин, на фрон- те которых концентрируются высокоэнергетичные электроны. Образующийся вследствие этого положительный объемный заряд вблизи катода приводит к резкому увеличению напряженности поля и взрывным процессам с микроострий. Убегающие электроны, образующиеся в результате таких процессов, вызывают рентгеновское излучение в прикатодной плазме и осуществляют дальнейшее быстрое продвижение лавины к аноду. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. N e u m a n, M. // Phys. Rev. – 1937. – Vol. 52. – P. 652. 2. F l e t c h e r, R. C. // Ibidem. – 1940. – Vol. 76. – P. 1501. 3. М е с я ц, Г. А., Бычков, Ю. И., Кремнев, В. В. // УФН. – 1972. – Т. 107. – С. 201 4. К о в а л ь ч у к, Б. М. Сильноточные наносекундные коммутаторы / Б. М. Ковальчук, В. В. Кремнев, Ю. Ф. Поталицын. – Новосибирск: Наука, 1979. 5. П а в л о в с к и й, А. И., Босамыкин, В. С., Карелин, В. И., Никольский, В. С. // КЭ. – 1976. – Т. 3. – С. 601. 6. П а в л о в с к и й, А. И., Басманов, В. Ф., Босамыкин, В. С., Горохов, В. В., Каре- лин, В. И., Репин, П. Б. // КЭ. – 1987. – Т. 14. – С. 428. 7. П а в л о в с к и й, А. И., Карелин, В. И. // Вестник Киев. ун-та. – 1988. – Вып. 29. – С. 115. 8. Б а б и ч, Л. П., Станкевич, Ю. Л. // ЖТФ. – 1972. – Т. 42. – С. 1669. 9. А с к а р ь я н, Г. А. // Труды ФИАН СССР. – 1973. – Т. 66. – С. 66. 10. С т а н к е в и ч, Ю. Л., Калинин, В. Г. // ЖТФ. – 1966. – Т. 36. – С. 1499. 11. Б а б и ч, Л. П., Бабич, Л. П., Лойко, Т. В., Шамраев, Б. Н. // Изв. вузов СССР. Сер. Радиофизика. – 1979. – Т. 22. – С. 100. 12. Б а б и ч, Л. П., Бабич, Л. П., Лойко, Т. В., Тарасова Л. В. // Тезисы докладов 2-го симпо- зиума по сильноточной электронике. – Томск, 1975. – С. 69. 13. Б а б и ч, Л. П., Березин И. А., Лойко Т. В., Тарасов М. Д., Тарасова Л. В., Чики- на Р. С. // ЖТФ. – 1977. – Т. 47. – С. 195. 14. И с с л е д о в а н и я характеристик и структуры наносекундных импульсных разрядов в воздухе / Э. Д. Курбанов [и др.] // Проблемы энергетики. – 2006. – № 3–4. 15. Ф и з и ч е с к и е процессы в плотных газах при воздействии наносекундных импуль- сов высокого напряжения / И. П. Кужекин [и др.] // Проблемы энергетики. – Баку, 2007. – № 3. – С. 58–65. Поступила 20.10.2011