Formation of a negative streamer in a sharply inhomogeneous electric field and a moment of generation of runaway electro.pdf Введение Плотная неравновесная низкотемпературная плазма атмосферного давления является перспективным инструментом для решения различных задач как в науке, так и в технологиях [1, 2]. Простым и распространенным способом получения такой плазмы является электрический разряд в атомарных и молекулярных газах. Это могут быть различные реализации барьерного разряда, объёмные разряды с предыонизацией газа сторонними источниками ионизирующего излучения, а также наносекундные диффузные разряды в неоднородном электрическом поле [3-11]. Наибольшие удельные характеристики достигаются в объёмных разрядах с внешней предыонизацией и наносекундных диффузных разрядах. Однако существуют различия в механизмах формирования этих разрядов. Объемный разряд в однородном электрическом поле формируется благодаря предварительной ионизации газа в межэлектродном пространстве (электронным пучком, рентгеновским излучением, УФ-излучением и т.д.). При достаточной концентрации электронов предыонизации (~ 106-108 см-3) электронные лавины перекрываются, прежде чем достигнут критического размера. Это приводит к образованию разряда, занимающего весь объем между электродами [9]. Если концентрация электронов предыонизации мала, некоторые лавины могут достигать критического размера до их взаимного перекрытия. В результате образуется стример небольшого диаметра (~ 100 мкм), который пересекает промежуток и затем образуется искровой канал с высокой проводимостью и высокой температурой тяжелых частиц. При формировании разряда в резко неоднородном электрическом поле благодаря усилению электрического поля вблизи электрода с малым радиусом кривизны достигаются высокие значения перенапряжения. В этих условиях формирование разряда протекает в условиях генерации значительного числа быстрых (убегающих) электронов (УЭ), что может оказывать влияние на формирование разряда [8, 10], как это показано в работе [12]. Экспериментально и в моделировании было показано, что в этих условиях образуется стример большого диаметра [13-20]. Несмотря на интенсивность проводимых исследований, не все особенности развития стримеров в резко неоднородном электрическом поле достаточно хорошо изучены. В частности, это касается данных о мгновенной скорости стримера в резко неоднородных электрических полях, генерации УЭ и их степени влияния на развитие разряда, влияния перенапряжения на динамику стримера. Было обнаружено, что при формировании стримера регистрируется динамический ток смещения, вызванный перераспределением напряженности электрического поля [21-23]. Измерение динамического тока смещения позволяет исследовать развитие стримера в промежутке и, как будет показано в настоящей статье, определить момент генерации УЭ. Стоит ответить, что такие попытки предпринимались и раньше [24, 25]. Цель настоящего исследования заключалась в том, чтобы получить данные о мгновенной скорости отрицательного стримера, формируемого в неоднородном электрическом поле, а также установить, на каком этапе развития стримера генерируются УЭ. Экспериментальная аппаратура и методики измерений Экспериментальные исследования формирования разряда, а также исследования генерации УЭ проводились на двух установках (рис. 1). В обеих установках использовалась одна и та же газоразрядная камера с короткой передающей линией (импеданс 75 Ом). Рис. 1. Экспериментальная установка 1 для исследования развития разряда с помощью стрик-камеры и четырёхканальной ICCD-камеры (а). Экспериментальная установка 2 для измерения тока пучка убегающих электронов, а также тока смещения (б) Были использованы два генератора высоковольтных наносекундных импульсов напряжения отрицательной полярности 1. Генератор ГИН-55-01 [26] формировал импульсы напряжения амплитудой ≈ 37 кВ, длительностью фронта τ0.1-0.9 ≈ 0.7 нс и длительностью на полувысоте τ0.5 ≈ 1 нс. Генератор NPG-18/3500N формировал импульсы напряжения, амплитуда которых менялась в диапазоне 12-18 кВ. Длительность фронта составляла τ0.1-0.9 ≈ 4 нс, а длительность импульса на полувысоте - τ0.5 ≈ 8 нс. Благодаря меньшей амплитуде и большей длительности импульсов напряжения, чем у первого генератора, удалось исследовать генерацию УЭ и формирование стримера при сравнительно слабо меняющемся напряжении на промежутке. Запуск генераторов осуществлялся генератором BNC-565 2. Кроме того, генератор 2 обеспечивал запуск стрик-камеры Hamamatsu C10910-05 (разрешение - десятки пикосекунд) и четырёхканальной ICCD-камеры HSFC-PRO (минимальная длительность экспозиции - 3 нс) (3 и 4 соответственно). Импульсы напряжения подавались на промежуток по высоковольтному коаксиальному кабелю 5 длиной 3 м, имеющему импеданс 75 Ом. Коаксиальная линия 6 была согласована с кабелем 5 посредством специально изготовленного разъёма. Наконечник высоковольтного электрода 7 был изготовлен из швейной иглы длиной 5 мм, диаметром основания 1 мм и радиусом закругления кончика 75 мкм. Заземлённый электрод 8 был плоским. Он служил также токоприёмной частью шунта 9, изготовленного из чип-резисторов. Расстояние d между электродами составляло 8.5 мм. Импульсы напряжения регистрировались с помощью ёмкостного делителя напряжения 10. Время прохода импульсом напряжения расстояния от делителя до разрядного промежутка и обратно составляло ≈ 0.76 нс. Сигналы с 9 и 10, а также сигнал запуска ICCD-камеры регистрировались осциллографом 11 Tektronix TDS3054B (500 МГц, 5109 выб./с). Излучение плазмы разряда выводилось из камеры через боковое кварцевое окно 12. На установке 2 (рис. 1, б) заземлённый электрод 13 был изготовлен из двух медных дисков толщиной 0.5 мм, в центре которых было отверстие диаметром 10 мм. Между дисками помещались кимфольная плёнка толщиной 2 мкм, покрытая 0.2 мкм слоем алюминия, либо сетка с пропусканием 67 %. При использовании кимфольной плёнки коллектором 14 регистрировался только ток УЭ, при применении сетки одновременно - ток УЭ и ДТС, а при использовании сетки и листа бумаги толщиной 0.1 мм регистрировался только ДТС. Это позволило установить, в какой момент времени относительно появления стримера генерируются УЭ. Сигналы с 10 и 14 регистрировались на установке 2 осциллографом KeySight DSO-X6004A (6 ГГц, 20109 выб./с). Газоразрядная камера откачивалась и затем заполнялась воздухом при различном давлении. Эксперименты на установке 2 проводились при атмосферном давлении. Результаты и их обсуждение Субнаносекундный пробой На рис. 2 представлены изображения, полученные с помощью стрик-камеры. На промежуток подавались импульсы напряжения наносекундной длительности от генератора ГИН-55-01 с частотой повторения 1 Гц. Давление воздуха в камере менялось от 25 до 250 кПа. Данные изображения демонстрируют то, как развивается свечение стримера вдоль оси разрядного промежутка при различном давлении воздуха в камере. Необходимо отметить, что при каждом значении давления было снято 200 изображений. Затем с помощью специализированного программного обеспечения осуществлялось усреднение с применением функции коррекции джиттера. Привязка всех изображений друг к другу осуществлялась по появлению свечения близи острийного электрода (катода). Рис. 2. Стрик-изображения развития пробоя промежутка остриё - плоскость, заполненного воздухом при различном давлении, длиной 8.5 мм: а) 25 кПа; б) 100 кПа; в) 250 кПа. Генератор ГИН-55-01; t0 - момент времени начала движения стримера; tз - момент времени замыкания промежутка стримером; 0 мм - катод; 8.5 мм - анод Видно, что вначале свечение появляется вблизи катода и его фронт перемещается в направлении противоположного плоского заземлённого электрода (анод). При этом скорость перемещения фронта свечения (рост стримера) меняется по мере его движения. Наибольшие значения скорости стримера наблюдаются при старте вблизи катода и при приближении к аноду. Ввиду того, что фронт свечения на изображениях со стрик-камеры размыт, невозможно точно установить местоположение фронта стримера в различные моменты времени. Однако, несмотря на это, данные изображения всё же позволяют приблизительно оценить мгновенную скорость стримера. Для этого проводилась огибающая фронта свечения. Далее рассчитывалась производная по времени dz/dt, где z - продольная координата. Результаты расчёта dz/dt для различных значений давления воздуха представлены на рис. 3. Рис. 3. Скорость стримера, формирующегося в промежутке остриё - плоскость, заполненном воздухом при различном давлении, длиной 8.5 мм: а) 25 кПа; б) 100 кПа; в) 250 кПа. Генератор ГИН-55-01 Высокие значения скорости стримера достигаются, когда стример стартует вблизи катода, а также когда он приближается к аноду. Согласно полученным кривым, в зависимости от давления скорость стримера достигает 5-25 см/нс на начальном этапе. Затем, по мере развития стримера, скорость быстро уменьшается в 2-3 раза. Минимальное значение скорости наблюдается, когда стример движется вдали от электродов. Как будет показано ниже, это, вероятно, связано с увеличением размеров стримера и, следовательно, уменьшением напряженности электрического поля на его фронте. После пересечения стримером 80-90 % промежутка, его скорость резко увеличивается. Это, по-видимому, вызвано увеличением напряженности электрического поля из-за уменьшения расстояния между фронтом стримера и анодом, а также из-за радиуса головки стримера. Данные по скорости результаты хорошо согласуются с результатами, представленными в работе [27]. Следует отметить, что средние значения скорости стримера в 2-3 раза меньше максимальных значений, что согласуется также с результатами предыдущих исследований положительного стримера [21-23]. На рис. 4 представлены изображения плазмы разряда в воздухе при различном давлении, полученные с помощью четырёхканальной ICCD-камеры, а на рис. 5 - соответствующие осциллограммы напряжения и тока, а также моменты включения каналов ICCD-камеры. Рис. 4. Изображения свечения разряда в воздухе при различном давлении: а) 25 кПа; б) 100 кПа; в) 250 кПа. Моменты включения каналов ICCD-камеры и их экспозиция представлены на рис. 5. Генератор ГИН-55-01 Из рис. 4, а видно, что при давлении воздуха 25-100 кПа свечение вначале регистрируется на расстоянии от катода и постепенно заполняет пространство между электродами. Этот результат отличается от того, что наблюдается на соответствующих стрик-изображениях (см. рис. 2, а, б). Только при давлении 250 кПа (рис. 2, в и 3, в) наблюдается соответствие. Из рис. 2 видно, что время формирования плазмы в промежутке не превышает 500 пс при максимальном в данном эксперименте давлении. При этом минимальная длительность (3 нс) экспозиции ICCD-камеры более чем на порядок превышает время формирования плазмы. Благодаря отсутствию абсолютно точной взаимной синхронизации каналов ICCD, а также наличию джиттера удалось получить изображения, представленные на рис. 4. По мере развития стримера он приобретает форму, близкую к шару. Рис. 5. Осциллограммы напряжения U и тока I при различном давлении воздуха: а, б) 25 кПа; в, г) 100 кПа; д, е) 250 кПа. Прямоугольниками показаны моменты включения каналов К1-К4 ICCD-камеры для рис. 4. Ширина прямоугольников соответствует длительности экспозиции. Генератор ГИН-55-01 Стримеры большого радиуса также наблюдаются при моделировании разрядов в промежутках остриё - плоскость [28, 29]. Авторы [27, 30] называют такие формирования «inception clouds». По мере увеличения размера стримера напряженность электрического поля на его фронте уменьшается. Наибольшая напряженность электрического поля достигается в приосевой зоне из-за меньшего расстояния до плоского электрода. В результате стример распространяется в направлении плоского электрода с большей скоростью, чем в радиальном направлении. На осциллограмме тока на рис. 5, е можно заметить, что токовым шунтом регистрируется ток положительной полярности, но при этом напряжение не меняет знак. Этот ток - ток смещения C*∙dU/dt (C* - ёмкость промежутка, U - напряжение), вызванный спадом напряжения на промежутке из-за окончания импульса. Как видно из рис. 4, в, промежуток лишь частично заполнен достаточно плотной плазмой, из-за чего его ёмкость C* должна быть существенно выше, чем в случае отсутствия плазмы. По этой причине ток смещения достигает заметной величины. Аналогичные осциллограммы тока наблюдались и в предыдущих исследованиях положительного стримера [21-23]. Наносекундный пробой При подаче на промежуток импульсов напряжения амплитудой несколько десятков киловольт время формирования плазмы составляло несколько наносекунд. Это позволило при имеющейся измерительной аппаратуре исследовать формирование отрицательного стримера, а также генерацию УЭ в этих условиях. На рис. 6 представлены изображения свечения плазмы разряда в воздухе при атмосферном давлении, полученные с помощью четырёхканальной ICCD-камеры при использовании генератора NPG18/3500N, а на рис. 7 - соответствующие осциллограммы напряжения и тока, а также моменты включения каналов ICCD-камеры. Как видно из рис. 6, при пробое при более низких напряжениях (24 кВ) качественных отличий от результатов, представленных выше, не наблюдается, кроме того факта, что свечение появляется в непосредственной близости от острийного электрода. Из рис. 7, б видно, что появление стримера (канал К1, рис. 6, а) сопровождается резким ростом тока. Однако он быстро спадает при увеличении размеров стримера. Этот ток (динамический ток смещения) вызван появлением плазмы в промежутке. Хорошо известно, что изменяющееся во времени электрическое поле вызывает ток смещения. Появление плотной плазмы в промежутке приводит к перераспределению электрического поля в нём. Напряженность электрического поля изменяется во времени в каждой точке пространства, в том числе вблизи плоского электрода (токовый шунт). Скорость изменения напряженности поля, очевидно, зависит от скорости заполнения промежутка плазмой (от скорости стримера). Эта зависимость сложна, поскольку при развитии стримера изменяется его форма, а также постепенно меняется концентрация электронов в ионизованной части промежутка за фронтом стримера, что влияет на распределение поля. Однако в первом приближении можно предположить, что динамический ток смещения зависит в основном от скорости стримера. Из рис. 7, б видно, что динамический ток смещения уменьшается с ростом размеров стримера и его замедлением (канал К2, рис. 6, а). Исследования с применением стрик-камеры в данных условиях не проводились, однако нет причин считать, что динамика скорости стримера качественно отличается от той, что представлена на рис. 3. Динамический ток смещения снова увеличивается, когда стример приближается к плоскому электроду. На этом этапе, как показано выше, его скорость резко растёт. Ток смещения, вызванный спадом напряжения, в данных условиях несущественен, поскольку скорость спада напряжения невелика. С ростом напряжения растёт величина динамического тока смещения, но также сокращается его длительность в соответствии с сокращением времени формирования плазмы. Из-за недостаточного временного разрешения осциллографа TDS 3053B (≈ 0.7 нс) при подаче на промежуток импульсов напряжения большей амплитуды динамический ток смещения невозможно было разрешить. Полученные результаты совпадают с результатами исследования положительного стримера [21-23]. Рис. 6. Изображения свечения разряда в воздухе при давлении 100 кПа при различном напряжении на промежутке: а) 24 кВ; б) 30 кВ; в) 38 кВ. Моменты включения каналов ICCD-камеры и их экспозиция представлены на рис. 7 Рис. 7. Осциллограммы напряжения U и тока I при различном напряжении на промежутке: а, б) 24 кВ; в, г) 30 кВ; д, е) 38 кВ; кр. 1 - ток разряда, кр. 2 - ток смещения C∙dU/dt, зарегистрированный токовым шунтом в режиме холостого хода. Разряд в воздухе при давлении 100 кПа. Прямоугольниками показаны моменты включения каналов К1-К4 ICCD-камеры для рис. 6. Ширина прямоугольников соответствует длительности экспозиции На рис. 8 показаны осциллограммы импульсов напряжения и импульсов тока, зарегистрированных коллектором на установке 2 (рис 1, б) при использовании различных анодов (кимфоль с тонким слоем алюминия; сетка, покрытая бумагой; одна сетка). Время запаздывания пробоя менялось от импульса к импульсу. При использовании каждого анода были записаны 30 пар осциллограмм. На рис. 8 показаны только два крайних (кривые 1 и 3) и промежуточный (кривая 2) случаи. Рис. 8. Осциллограммы напряжения U и сигналов с коллектора при использовании разных анодов: a, б - кимфольная плёнка; в, г - сетка и бумага; д, е - сетка; кр. 1-3 - различные реализации разряда в одинаковых условиях, сс - старт стримера На рис. 8, а, б показаны осциллограммы, записанные при использовании заземленного электрода, изготовленного из кимфоли. Импульсы на рис. 8, б являются импульсами тока IУЭ пучка УЭ, который прошёл через кимфоль. Длительность импульса тока пучка УЭ составляет ≈ 100 пс, что соответствует импульсной характеристике осциллографа. При использовании заземленного электрода из сетки с бумагой (рис. 8, в, г) коллектором регистрировался только динамический ток смещения IДТС, поскольку УЭ не проходят сквозь бумагу толщиной 0.1 мм, а электрическое поле с большим (~ 104 раз) ослаблением проникает в пространство между анодом и коллектором. Аналогичные осциллограммы динамического тока смещения, но только положительной полярности, были получены ранее при исследовании положительного стримера [21-23]. Отметим, что «выброс» обратной полярности на осциллограмме динамического тока смещения вызван резким уменьшением напряжённости электрического поля вблизи поверхности сетки после замыкания промежутка плазмой. Таким образом, измеряя коллектором IДТС, мы можем точно определить, когда появляется стример и когда он достигает анода. Обеспечив условия, при которых будут регистрироваться IДТС и IУЭ, мы можем точно определить, когда генерируются УЭ. На рис. 8, д, е приведены осциллограммы, полученные при использовании заземленного электрода, изготовленного из сетки без каких-либо диэлектриков. В этом случае коллектором регистрировались как IДТС, так и IУЭ. Подбирая расстояние l и размер ячейки сетки, добились того, чтобы амплитуды тока пучка УЭ и динамического тока смещения были одного порядка. Хорошо видно, что импульс тока УЭ наблюдается во время нарастания динамического тока смещения. Это означает, что УЭ появились при старте стримера. Для более точного определения момента генерации УЭ необходимо учитывать время, необходимое на пересечение электронами расстояния d + l, а также время, за которое электромагнитная волна, вызванная перераспределением поля в промежутке при появлении плазмы, достигает коллектора. Кроме того, необходимо использовать широкополосные осциллографы и коллекторы. На осциллограммах напряжения (рис. 8, а, в, д) можно заметить, что при старте стримера в промежутке наблюдается небольшой спад напряжения. При этом имеются некоторые особенности. Если стример стартует примерно в максимуме напряжения (рис. 8, кривые 2 и 3), то спад напряжения резкий, а нарастание динамического тока смещения - быстрое. Если стример стартует при меньшем напряжении, то изменения на осциллограммах напряжения и тока менее выраженные (рис. 8, кривые 1). Этот результат совпадает с результатами моделирования [31, 32]. Заключение Результаты экспериментальных исследований формирования разряда в воздухе в резко неоднородном электрическом поле с применением четырёхканальной ICCD- и стрик-камеры показывают, что в условиях наносекундного и субнаносекундного пробоя в промежутке формируется стример с большими поперечными размерами. Было установлено, что скорость стримера быстро уменьшается в 2-3 раза по мере развития и увеличения диаметра. Это, по-видимому, вызвано ослаблением электрического поля на фронте стримера вследствие увеличения его размеров. С уменьшением расстояния до противоположного электрода скорость стримера увеличивается. Средние значения скоростей стримера в 2-3 раза меньше максимальных. Было показано, что динамика скорости стримера коррелирует с поведением во времени динамического тока смещения. Посредством измерения динамического тока смещения можно оценивать среднюю скорость стримера. Интересно найти прямую связь между величиной динамического тока смещения и скоростью стримера. Это позволило бы, например, оценивать мгновенную скорость стримера простым измерением тока. Результаты исследования показывают, что измерение динамического тока смещения является информативным и точным методом исследования формирования разряда. В частности, одновременное измерение тока УЭ и динамического тока смещения позволило определить, когда генерируются УЭ. Высокие скорости ионизационных процессов в разряде предъявляют высокие требования к измерительному оборудованию. В частности, требуются высокоскоростные и широкополосные осциллографы и датчики. Из полученных данных следует, что в условиях проведённого эксперимента УЭ генерируются во временном интервале, охватывающем начало эмиссии электронов с катода и появление стримера. Кроме того, в экспериментах достоверно зарегистрирован спад напряжения на промежутке, вызванный протеканием тока во время формирования стримера.

Скачать электронную версию публикации