Dynamics of controlled streamer discharge at low air pressures.pdf Введение Теоретическая концепция стримерного пробоя газов, появившаяся около восьмидесяти лет назад, стала основой ряда моделей, описывающих движение волн ионизации в различных условиях. Если волна ионизации движется против направления дрейфа электронов, то такой стример называется положительным или катодонаправленным. Благодаря высокому полю поляризации фронт волны ионизации, согласно гипотезе Рётера - Лёба - Мика [1, 2], испускает энергичные фотоны. Они ионизуют газ перед фронтом, а образовавшиеся электроны, притягиваясь к головке стримера, образуют лавины, что поддерживает поле на фронте. Впоследствии эту гипотезу подтвердили аналитически и численными расчетами (см., например, [3-8]). Электроны в головке стримера могут набирать энергию до 20 эВ [9]. Поэтому помимо ионизации, на фронте волны происходят диссоциация и возбуждение атомов и молекул, а также образование различных химически активных частиц. Визуально стримеры представляют собой узкие светящиеся плазменные каналы (или так называемые плазменные шлейфы), прорастающие к электродам с высокой скоростью (105-107 м/с) из какой-либо точки разрядного промежутка, в которой тем или иным путем возникает возмущение поля. Поскольку концентрация электронов в головке стримера высока, а сама головка имеет вытянутую форму, суммарное электрическое поле головки усиливается настолько, что стример способен развиваться и в слабых внешних полях. Благодаря этому стримеры наблюдаются в самых разных условиях. Разделим стримеры на свободные и управляемые. Для первых характерно свободное распространение в промежутке или на диэлектрической подложке [10, 11], в том числе и на значительные расстояния. Если внешнее поле является импульсным, то каждый новый стример может двигаться по новой траектории и возникать не на электроде, а в разных частях пространства. Такая форма стримерного пробоя широко распространена и характерна, например, для разрядов в воздухе, таких как транзиентные световые явления средней и верхней атмосферы Земли (см. ссылки в [12]), апокампический разряд [13, 14], коронный разряд [15] и др. Во многих случаях визуальный трек стримера хаотически разветвляется и искривляется. Считается, что ветвление происходит, если ширина слоя пространственного заряда вокруг головки стримера превышает длину поглощения фотоионизирующего излучения [16]. Управляемые стримеры отличаются от свободных тем, что их световой след имеет определенную форму, заданную условиями эксперимента [17]. Так, используя предварительную лазерную ионизацию газа лучом KrF-лазера, в [18] были получены положительные стримеры с заданными направлениями распространения, в том числе перпендикулярно приложенному полю. В работе [19] получены стримеры, движущиеся по спирали по внутренней поверхности диэлектрической трубки в азоте низкого давления (так называемые спиральные стримеры). И, наконец, к управляемым стримерам относятся так называемые плазменные «струи» атмосферного давления (ПСАД). В этих источниках плазма вначале формируется в разрядном промежутке посредством тлеющего, коронного или барьерного разряда, а затем принудительно выталкивается в окружающий воздух через узкий капилляр или щель за счет избыточного давления рабочих газов, подаваемых в область разряда (см. ссылки в обзорах [20-22]). Высокоскоростная съемка показала, что плазменная струя на выходе представляет собой совокупность светящихся объектов, частота появления которых связана с частотой импульсов напряжения на разрядном промежутке. Они были названы плазменными «пулями», а по существу представляют собой направленные волны ионизации [17]. От свободных стримеров плазменные пули отличаются тем, что они движутся в прямом направлении, в сторону выдувания газа. Эта особенность была использована в прикладных целях для точечной доставки формирующихся на фронте волны ионизации химически активных частиц к различным мишеням (см. ссылки в [23, 24]). Таким образом, управление формой и направлением распространения волн ионизации в стримерных разрядах имеет важное значение для практики. Фундаментальное значение этих экспериментов состоит в том, что универсальной модели стримерных разрядов не существует [6, 9, 25]. Поэтому нужны новые экспериментальные факты, которые могут быть использованы для новых теоретических обобщений. В этой работе мы сообщаем о стримерах, формирующихся в разрядной камере, заполненной воздухом при умеренных давлениях (30-120 Торр) в случае, когда направление их распространения контролируется внешним потенциалом. Полученные нами оптические изображения с наносекундным временным разрешением позволили оценить скорости распространения полученных волн ионизации и выявить их специфическую форму, что ранее не было представлено в научной литературе. Предложено несколько гипотез, объясняющих полученные данные. Экспериментальная установка и методики измерений Эксперименты проводили на экспериментальной установке, блок-схема которой представлена на рис. 1, а. Колбу заполняли воздухом, давление которого можно было варьировать в диапазоне от 10 до 760 Торр. Разряд зажигали внутри цилиндрической кварцевой колбы 1 диаметром 6.5 см и высотой 60 см (кварц марки GE 214). В колбу помещали острийный электрод 2 с малым радиусом кривизны, направленный на стенку под углом 30о от нормали. В продолжении оси электрода на внешнюю стенку колбы помещали проволоку 3 диаметром 0.8 мм, один из концов которой заземляли. На электрод 2 от источника 5 подавали импульсы напряжения положительной полярности величиной до 18 кВ, длительностью по основанию 1.5 мкс и частотой от 15 до 60 кГц. В такой сборке при умеренных давлениях воздуха на электроде 2 зажигается стримерная корона, которая распространяется по поверхности внутренней стенки вдоль проволоки. Поэтому можно говорить о стримерном разряде, который управляется внешним потенциалом. Высоту стримера h можно контролировать давлением воздуха и параметрами источника 5. Кроме того, для контроля положения стримера использовали два варианта укладки проволоки 3 на стенку. В первом варианте (рис. 1, б) плазменный шлейф распространялся прямолинейно вдоль проволоки (I), во втором варианте (рис. 1, в) - разветвлялся в точке «Y», образуя три плазменных шлейфа (I-III). Типичный внешний вид разряда в обоих конфигурациях показан на рис. 2. Таким образом, были получены управляемые стримеры со стабильным положением в пространстве. Для детального изучения динамики их развития в наносекундном масштабе сканирования была использована четырехканальная ICCD-камера HSFC-PRO (PCO AG) 7 с минимальной длительностью одного кадра 3 нс. Изображение на входе камеры формировали с помощью объектива-конденсора 8, позволяющего выделять для наблюдения поле высотой 17 мм и шириной 22 мм. Для синхронизации и управления запуском камеры генератор 5 имел отдельный выход, сигнал с которого подавался на генератор задающих импульсов 6 BNC 565 («Berkeley Nucleonics Corp.»). С его помощью выставлялись задержки запуска срабатывания как камеры 7, так и осциллографа (TDS 3034, «Tektronix, Inc.»), на котором регистрировали напряжение на электроде 2 в точке «А» и сигнал запуска ICCD-камеры. Это обеспечивало контроль времени запуска камеры относительно импульса напряжения на электродах. Напряжение в точке «А» регистрировали высоковольтным делителем напряжения АСА-6039 (ЗАО НПП «Эликс»), сигнал с которого подавался на осциллограф. Сигналы с одного или нескольких каналов ICCD-камеры 7 через оптоволоконный кабель регистрировались на компьютере 9. Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки для получения направленных стримеров (а), а также расположение элементов разрядного блока в случае одиночного (б) и ветвящегося (в) стримеров: 1 - кварцевая колба; 2 - высоковольтный острийный электрод; 3 - заземленный проволочный электрод; 4 - плазменный шлейф; 5 - генератор импульсов напряжения положительной полярности; 6 - задающий генератор; 7 - высокоскоростная камера; 8 - объектив-конденсор; 9 - компьютер Рис. 2. Внешний вид разряда вдоль одиночной проволоки (а) и на развилке (б): p = 120 (a) и 30 Торр (б); U = 10.26 (a) и 3.2 кВ (б); частота 60 (a) и 15 кГц (б) Для получения интегральной картины свечения использовалась камера Canon PowerShot SX60 HS в режиме последовательной покадровой записи с выдержкой не менее 0.125 с. Эмиссионные спектры излучения от различных участков разряда получали с помощью сборки, включающей в себя коллимирующую линзу с фокусным расстоянием 30 мм, оптоволокно с известным спектром пропускания и спектрометр высокого разрешения HR2000+ES (Ocean Optics) на основе многоканальной ПЗС-линейки Sony ILX511B с известной спектральной чувствительностью. Спектрометр имел рабочий диапазон 200-1100 нм, спектральную полуширину аппаратной функции ~ 0.15 нм. Коллимирующую линзу располагали напротив различных участков протяженной плазменной струи, собирая излучение из области диаметром 5 мм. Результаты и их обсуждение На рис. 3 даны типичные оптические изображения волн ионизации, полученные в одинаковых условиях при старте и разгоне пули (а-в) и при ее торможении и остановке (г-е) на высоте около 50 мм от стартовой высоты. С учетом того, что задержка между кадрами составляет 20 нс, можно оценить скорость волны. При старте она достигает 160 км/с (кадры (а-в)), а при торможении резко падает: до 43 км/с (кадры (г) и (д)) и далее до 16 км/с (кадры (д) и (е)). То есть ориентировочно можно считать, что при торможении за 20 нс волна ионизации теряет скорость десятикратно по сравнению с максимальной, до которой она разгоняется первоначально. Рис. 3. Форма волн ионизации в случае одиночной направляющей на различных расстояниях от острийного электрода ha = 18 (а-в) и 50 мм (г-е). Высота кадра 16.8 мм; p = 30 Торр; U = 2.1 кВ; частота 15 (а-в) и 60 кГц (г-е). Время экспозиции каждого кадра 3 нс, задержка между кадрами 20 (а-в) и 80 нс (г-е) Также видно, что при торможении (рис. 3, кадры (г-е)) яркость волны ионизации падает и становится почти неразличимой ICCD-камерой. Стоит отметить, что по нашему опыту [26, 27], в случае свободного распространения конец плазменного шлейфа отклоняется от фокуса камеры, поэтому определить динамику торможения пули очень сложно. Но переход к управляемому стримерному разряду в условиях нашего эксперимента снимает это затруднение. Величина скорости стартовавшей пули по порядку величины близка к типичным скоростям в этих условиях формирования, полученных ранее в условиях апокампического разряда. На рис. 4 представлены оптические изображения волны ионизации в случае принудительного разветвления стримера в точке «Y» на три плазменных шлейфа (рис. 1, в). Здесь, во-первых, видно, что прохождение точки ветвления при низком давлении (30 Торр) расширяет фронт ионизации (кадры (а-в)), а при увеличении давления до 75 Торр и выше - приводит к его видимому разрыву (кадры (г-и)). Рис. 4. Форма волн ионизации в случае разветвленной направляющей. Высота кадра 16.8 мм; ha = 42 мм; p = 30 (а-в) и 75 Торр (г-и); U = 3.2 кВ; частота 15 кГц. Время экспозиции каждого кадра 3 нс, задержка между кадрами 20 (а-в) и 30 нс (г-и) Во-вторых, увеличение давления приводит к тому, что стабильность движения по II и III ветвям падает, что, в частности, выражается в том, что стример не всегда разделяется натрое (кадры (ж-и)). Чаще всего стример распространяется по ветви I, а по двум оставшимся распространяется не всегда. Это объясняет, почему визуально интегральное свечение ветвей II и III меньше, чем у ветви I (рис. 2, б). В-третьих, как и в предыдущей серии, можно оценить изменение скорости волны ионизации до и после прохождения точки разветвления проволоки. Так, на кадрах (г-е) до ветвления скорость составляет 200 км/с, а после - 167, 114 и 105 км/с для ветвей I, II и III соответственно. Аналогично, на кадрах (ж-и) она падает до 143 и 117 км/с для ветвей I и III. Таким образом, ветвление в условиях экспериментов снижает скорость движения стримеров. Отдельного внимания заслуживает аномалия в изображениях волн ионизации. Как видно из рис. 3 и 4, свечение волны не является сплошным. По существу, почти каждый раз наблюдаются две волны - одна более яркая, которую будем называть основной или главной, и сопутствующая ей волна, которая ее «обгоняет». Будем называть ее предвестником основной волны. На конце плазменного шлейфа (рис. 3, г-е) интенсивность свечения предвестника может стать настолько низкой, что высокоскоростная камера перестает ее фиксировать, даже при увеличении времени экспозиции одного кадра до максимума. В известной нам научной литературе сдвоенных изображений волн ионизации нет. Поэтому необходимо быть уверенными, что изображения предвестника основной волны не являются оптическим искажением. В пользу этого свидетельствует сразу несколько фактов. Форма предвестника близка к форме главной волны, в том числе в точке ветвления «Y» (см. рис. 3, кадры (б, д, з)). Расстояние между центрами главной волны и ее предвестника по мере их распространения вдоль одиночной проволоки при прочих равных условиях почти не меняется, но при достижении точки ветвления они сближаются. Оптическое искажение не давало бы такого эффекта. Аналогично с ростом давления воздуха от 30 до 120 Торр расстояние между центрами основной волны и ее предвестника при прочих равных условиях сокращается примерно в 4 раза. Качественно это отличие заметно при сравнении кадров (а) и (г, ж) на рис. 4. Кроме того, при давлениях 100 Торр и выше падает и интенсивность предвестника (аналогичное снижение интенсивности происходит и при уменьшении давления воздуха примерно ниже 20 Торр). Свечение при низких давлениях ограничивается падением концентрации возбужденных частиц, а при слишком высоких величинах давления излучение ограничивается процессами безызлучательного тушения возбужденных состояний. Это отчасти объясняет тот факт, что при регистрации волн ионизации при атмосферном давлении сдвоенная структура свечения не наблюдается [14, 17, 20]. Таким образом, параметры предвестника основной волны чувствительны к условиям получения разряда. Следует отметить, что регистрацией волн ионизации мы занимаемся уже несколько лет, но сдвоенная структура волны была замечена только в 2021 г. [26]. Анализ экспериментов, проведенных на рубеже 2020-2021 гг., показал, что ранее для фокусировки изображения использовался не объектив-конденсор (8 на рис. 1), а кварцевая линза. Новый объектив-конденсор, как показали измерения, пропускает излучение только на длинах волн > 360 нм. В типичном спектре плазменного шлейфа в условиях нашего опыта содержатся 2+ и 1+ полосы молекулярного азота и 1- полоса иона N2+, а также полоса NOγ. Поэтому новый объектив пропускает и снижает интегральную энергию излучения примерно в 8 раз, не пропускает излучение NOγ, существенно снижает интенсивность 2+ полосы N2, но пропускает излучение 1+ полосы N2 и 1- полосу иона N2+. Это объясняет, почему при переходе к новому объективу мы были вынуждены программно увеличивать ее чувствительность в 2-3 раза. Ранее в опытах с кварцевой линзой камера регистрировала интенсивную 2+ полосу N2 и чувствительность ПЗС-линейки ICCD-камеры приходилось принудительно снижать, чтобы не получать засвеченные кадры. Естественно, в этих условиях слабое свечение остальных компонент спектра ПЗС-линейка не фиксировала. Теперь, напротив, интенсивности свечения 2+ полосы N2, а также 1- полосы N2+ не хватало, и чувствительность повысили. Это и привело к выявлению тонкой структуры свечения. Из сказанного следует, что свечение предвестника в большей степени обусловлено свечением ионных переходов N2+, а свечение основной волны - указанным переходам и 2+ полосы N2. Для более точного выделения вкладов указанных полос необходимо впоследствии провести отдельные эксперименты. Мы считаем, что наблюдаемая тонкая структура свечения может рассматриваться как дополнительное - оптическое - подтверждение гипотезы Рётера - Лёба - Мика [1, 2]: основная волна соответствует фронту стримера (мы интерпретируем ее как движение фронта), а предвестник основной волны образуется благодаря фотоионизации. То, что между этими светящимися областями есть «мертвая» область, может быть связано с тем, что сечения фотоионизации фотонами для ионов и нейтральных атомов различны, как различны и концентрации частиц по оси движения стримера. Тогда энергия фотонов, эмитируемых с головки, в области предвестника может быть потрачена не только на фотоионизацию, но и на возбуждение образовавшихся ионов азота с последующим их высвечиванием. А в «мертвой» области преобладают уже высветившие ионы, а также ионы азота, образовавшиеся в ходе усиления лавин электронов. Кроме того, можно предположить, что поскольку передний фронт основной волны и задний фронт предвестника конгруэнтны, т.е. близки по форме, то электроны движутся к головке стримера не отдельными лавинами, а почти равномерным потоком. Конечно, следует принимать во внимание и тот факт, что наш объектив является полосовым фильтром, и коротковолновую часть излучения на λ < 360 нм мы не видим. Впрочем, это не отменяет наличия сложного распределения возбужденных и испускающих излучение частиц. Впоследствии было бы интересно промоделировать описанную ситуацию теоретически. Отдельным фактором в модели может быть наличие стенки, которая может выступать источником электронов, полученных путем фотоэмиссии. Но сдвоенные волны ионизации мы наблюдали и ранее в условиях, когда стример распространялся в свободном пространстве [26], поэтому этим фактором для упрощения модели можно и пренебречь. Заключение Предложена классификация стримеров, согласно которой они разделены на свободные и управляемые. В ходе работы были получены новые данные о распространении управляемых стримеров по поверхности диэлектрической трубки в режиме стримерной короны при умеренных давлениях воздуха. Было показано, что при старте волна ионизации примерно за 20 нс разгоняется до ~ 105 м/с, а при торможении сбрасывает скорость на порядок за время ~ 20 нс. Эти данные можно использовать для уточнения численных моделей положительных стримеров. Кроме того, был реализован режим управляемого ветвления стримера и получены данные о свечении волн ионизации в точке ветвления. В работе также была открыта тонкая структура свечения волн ионизации, которая состоит из основной и сопутствующей волн. Согласно типологии методолога науки А.С. Новикова, это - контекстуальное случайное открытие [28], которое характеризуется, с одной стороны, объективной лабораторной ситуацией, а с другой стороны, субъективным фактором - удивлением от наблюдаемого явления. Тонкая структура стримеров может оказаться полезной для лучшего понимания механизмов распространения волн ионизации в плазме, по крайней мере для случаев, когда распространение происходит при умеренных давлениях воздуха.

Скачать электронную версию публикации