Наблюдение стримерных корон, предшествующих формированию апокампического разряда | Изв. вузов. Физика. 2019. № 6. DOI: 10.17223/00213411/62/6/64

Наблюдение стримерных корон, предшествующих формированию апокампического разряда

Обнаружено, что формированию апокампа предшествует появление стримерных корон, стартующих от канала импульсно-периодического разряда. Показано, что стримерные короны в условиях эксперимента облегчают развитие апокампа, выступая в роли источника предыонизации.

Monitoring of streamer coronas preceding the formation of apokampic discharge.pdf Апокампический разряд [1-4] является сравнительно новым объектом исследований, полезным для лабораторного моделирования транзиентных световых явлений средней атмосферы [3-7] и потенциально интересным для разработки плазменных технологий различного назначения [8]. Апокампический разряд - это высоковольтный импульсный разряд, в котором высоковольтный электрод имеет положительную полярность, а токовый канал и второй электрод находятся под плавающим потенциалом. В этом случае место изгиба канала разряда служит источником визуально наблюдаемой светящейся структуры, которая была названа апокампом [9]. Далее апокамп был интерпретирован как стример, стартующий от места изгиба канала разряда, т.е. от места, где приведенная напряженность электрического поля повышена [10]. Как показали наши исследования, при давлениях ~ 400 Торр для образования апокампа требуется несколько тысяч пробоев разрядного промежутка, что было связано с необходимостью разогрева канала разряда. То есть развитие стримера становится возможным благодаря тому, что газ вблизи канала разряда нагрет предшествующими разрядными импульсами настолько, что приведенное поле (отношение электрического поля к плотности газа), определяющее скорость ионизационных процессов, оказывается существенно превышающим значение в холодном газе [10]. Кроме того, при пониженных давлениях воздуха (100-450 Торр) были зафиксированы светящиеся следы, напоминающие по виду стримерные короны, появление которых предшествовало развитию апокампа. Цель работы - детально исследовать это явление и сформулировать гипотезу о влиянии стримерных корон на развитие апокампа при пониженных давлениях воздуха. Для этого была использована экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 1. Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - разрядный промежуток; 2, 3 - острийные электроды типа «стержень» диаметром 2 мм и радиусом скругления 70 мкм; 4 - осциллограф; 5 - импульсный источник питания; 6 - фотоаппарат; 7 - кварцевая колба с внутренним диаметром 5.9 см и высотой 65 см, С1 = 10 пФ, С2 = 1.65 нФ, С3 = 1.65 пФ, R = 1 Ом Импульсный разряд 1 зажигали между стальными острийными электродами 2 и 3, расположенными под углом 140о относительно друг друга. Электрод 3 имел емкостную развязку (С1) с землей. Источник питания 5 обеспечивал импульсно-периодический режим следования импульсов напряжения с амплитудой 8 < Up < 13 кВ и частотой следования импульсов 30 < f < 50 кГц. Источник также обеспечивал работу в режиме пачек импульсов: количество импульсов в пачке составляло от единиц до нескольких тысяч, а интервал между пачками мог варьироваться от нуля до нескольких секунд. Режим с пачками позволил изучать особенности формирования разряда на различных этапах и, одновременно, фиксировать усредненную картину фотографически - при помощи камеры 6 Canon PowerShot SX 60 HS с выдержкой 1/8 c и светочувствительностью ISO 2500. Электроды помещались в колбу 7, давление в которой можно было регулировать от 760 до 80 Торр. Временной ход напряжения на электроде 2 снимали с помощью емкостного делителя (С2, С3), а временной ход тока между электродами 2 и 3 - шунтом (R). Сигналы с делителя и шунта подавались на осциллограф 4 TDS-224 (Tektronics, Inс.). На рис. 2 даны типичные осциллограммы хода импульсов напряжения в пачке (б), а также начальный (а) и конечный (в) импульс напряжения пачки. Максимальная амплитуда импульсов в пачке отличалась не более чем на 1 кВ, а интервал между пачками выбирали равным 0.3 с. По рис. 2, а, в видно, что длительность импульса не изменяется, но ближе к концу пачки фронт напряжения удлиняется, а хвост импульса сокращается примерно в 2 раза. Это обусловлено ростом температуры газа в разрядном промежутке, а также его частичной ионизацией при каждом последующем импульсе в пачке. Рис. 2. Временной ход первого импульса (а), пачки импульсов (б) и последнего импульса напряжения в пачке (в): кр. 1 - синхроимпульс, кр. 2 - импульсы напряжения Типичный сценарий образования апокампа в условиях нашего эксперимента был следующим: при подаче на электроды от 5 до 10 импульсов напряжения в газоразрядном промежутке зажигается импульсный искровой разряд. С последующим ростом количества импульсов N формируется канал разряда, происходит увеличение его диаметра и изгибание. При количестве импульсов N ≥ ≥ 1500 на месте максимального изгиба формируется апокамп. Варьируя N от 10 до 1500 (количество импульсов в пачке), мы получали возможность фиксации промежуточных этапов развития разряда. Например, при давлении p = 310 Торр, амплитуде импульса напряжения Up = 10.5 кВ и частоте следования импульсов f = 30 кГц были получены фотографии, приведенные на рис. 3, а. Видно, что при N = 210 канал разряда 1 ещё не изогнут. Его интенсивность растёт с ростом N. При N ~ 400 канал начинает изгибаться и от него развиваются светящиеся структуры 2. Мы интерпретируем их как стримерные короны, поскольку известно, что в условиях атмосферного давления они предшествуют замыканию разрядного промежутка при напряжениях ниже пробивного [11, 12]. Интересно, что в условиях эксперимента они развиваются ни в продолжении электрода, ни вдоль линии усиления поля от острий, а от канала разряда под некоторым углом. Дальнейшее увеличение N в пачке приводит к появлению апокампа 3 в месте максимального изгиба канала разряда. При N > 1500 стримерные короны полностью исчезают, и мы наблюдаем типичный одиночный апокамп. Такую же форму имеет апокампический разряд в импульсно-периоди¬ческом режиме. Рис. 3. Этапы развития разряда при различных количествах N импульсов в пачке (а) и при разных величинах давления (б), при прочих одинаковых параметрах (пояснения в тексте). Размер кадра по вертикали 6.8 см (а) и 6.4 см (б). Стрелки выборочно показывают различные элементы разряда: 1 - канал, 2 - стримерная корона, 3 - апокамп Рис. 3, б иллюстрирует влияние давления на развитие стримерных корон. Он получен при Up = 10 кВ, f = 40 кГц, N = 600 импульсов в пачке и частоте следования пачек ~ 0.25 с. Снижение давления влечёт за собой увеличение длины и рост интенсивности стримерных корон, а значит, в пространстве между ними усиливается ионизация. Также замечено, что при изменении давления в бо́льшую сторону стримерные короны смещаются основаниями ближе к месту максимального изгиба канала, а при его снижении аналогично смещаются в сторону электродов. Следовательно, чем больше p, тем выше вероятность образования апокампа (при фиксированном Up) без участия стримерных корон как промежуточного этапа. С ростом Up напряженность поля на изгибе канала разряда растёт и апокамп образуется сразу от места изгиба, а стримерные короны не фиксируются фотокамерой. Так, при Up > 11 кВ (в диапазоне 80 < p < 450 Торр) стадия со стримерными коронами не наблюдалась, а частота импульсов в пачке не влияла на внешний вид разряда. На основе проведенных исследований было выдвинуто предположение о том, что стримерные короны являются источниками предыонизации в условиях, когда поле на изгибе канала недостаточно для запуска стримера от изгиба. Для проверки этой гипотезы планируется собрать установку с дополнительным электродом, расположенным над электродами 2 и 3 (см. рис. 1), который будет выполнять роль усилителя поля вдоль направления распространения апокампа.

Ключевые слова

pre-ionization, low pressure, streamer corona, apokamp, предыонизация, пониженное давление, стримерная корона, апокамп

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Тарасенко Виктор ФедотовичИнститут сильноточной электроники СО РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университетд.ф.-м.н., зав. лабораторией ИСЭ СО РАН, профессор НИ ТГУVFT@loi.hcei.tsc.ru
Скакун Виктор СемёновичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., ст. науч. сотр.Skakun54@bk.ru
Печеницин Дмитрий СергеевичИнститут сильноточной электроники СО РАНтехникdmitrij.pechenitsin@yandex.ru
Панарин Виктор АлександровичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., инженерPanarin@yandex.ru
Кузнецов Владимир СергеевичИнститут сильноточной электроники СО РАНаспирант, инженерRobert_smith_93@mail.ru
Соснин Эдуард АнатольевичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.ф.-м.н., ст. науч. сотр.badik@loi.hcei.tsc.ru
Всего: 6

Ссылки

Важов В.Ф., Лавровинович В.А., Лопаткин С.А. Техника высоких напряжений. - Томск: Изд-во ТПУ, 2006. - 119 с.
Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - Долгопрудный: Издат. дом «Интеллект», 2009. - 736 с.
Соснин Э.А., Найдис Г.В., Тарасенко В.Ф. и др. // ЖЭТФ. - 2017. - Т. 152. - Вып. 5. - C. 1081.
Tarasenko V.F., Sosnin E.A., Skakun V.S., et al. // Phys. Plasmas. - 2017. - V. 24. - No. 4. - P. 043514.
Соснин Э.А., Гольцова П.А., Панарин В.А. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 4. - С. 126.
Surkov V. and Hayakawa M. // Ann. Geophys. - 2012. - V. 30. - P. 1185.
Ganot M., Yair Y., and Price C. // Geophys. Res. Lett. - 2007. - V. 34. - P. L12801.
Siingh D., Singh R.P., Kumar S., et al. // J. Atmosph. Solar-Terrestrial Phys. - 2015. - V. 134. - No. 10. - P. 78.
Скакун В.С., Панарин В.А., Печеницин Д.С. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2016. - Т. 59. - № 5. - С. 92.
Соснин Э.А., Панарин В.А., Скакун В.С., Тарасенко В.Ф. // Оптика атмосферы и океана. - 2018. - Т. 31. - № 3. - С. 211.
Sosnin E.A., Naidis G.V., Tarasenko V.F., et al. // JETP. - 2017. - V. 125. - No. 5. - P. 920.
Кузнецов В.С., Соснин Э.А., Панарин В.А. и др. // Опти. и спектр. - 2018. - Т. 125. - Вып. 9. - С. 311.
 Наблюдение стримерных корон, предшествующих формированию апокампического разряда | Изв. вузов. Физика. 2019. № 6. DOI: 10.17223/00213411/62/6/64

Наблюдение стримерных корон, предшествующих формированию апокампического разряда | Изв. вузов. Физика. 2019. № 6. DOI: 10.17223/00213411/62/6/64