Cylindrical streamers formed in air and nitrogen at low pressures.pdf Введение Плазма импульсных диффузных разрядов постоянно привлекает внимание исследователей и широко используется в различных областях. Начиная с конца прошлого столетия большое внимание стало уделяться изучению плазмы атмосферных разрядов на высотах 20-100 км от уровня моря [1, 2]. Эти разряды были названы транзиентными световыми явлениями (ТСЯ) [1-20]. К ТСЯ относят красные спрайты, голубые струи, эльфы, гало и др. В формировании части из них основную роль играет стримерный механизм пробоя (см., например, [3, 8]). Наибольшее число публикаций в последние три десятилетия посвящено изучению красных спрайтов. Первое задокументированное наблюдение спрайтов опубликовано в [10], где приведены черно-белые фотографии этого явления. Цветное изображение красных спрайтов изначально было зафиксировано при съемке с борта самолета [11]. В последующие годы большое число фотографий спрайтов было получено как сотрудниками наземных лабораторий [4, 5], так и с летательных аппаратов [11], спутников [12] и Международной космической станции [13, 14]. Кроме того, в интернете можно найти большое число фотографий, сделанных профессиональными фотографами (см., например, [15]). Физические процессы, происходящие при развитии красных спрайтов, которые определяют их инициирование, цвет, форму и спектральный состав излучения, исследовались многими научными группами. Наиболее важные результаты и история их получения суммированы в обзорах и книгах [3-5, 16]. Из опубликованных данных известно, что различают несколько видов спрайтов. На фотографиях наиболее часто приводятся «столбчатые» спрайты (column sprites [6, 16], их также называют columnar sprites [17]) и «морковные» (carrot-like sprites [18, 19]). Показано, что спрайты состоят из стримеров больших размеров, фронт которых движется в мезосфере как по направлению к Земле [3, 8], так и вверх [16-19] к термосфере. Кроме того, известно об одновременном формировании в едином спрайте большого числа стримеров, головки которых двигаются в различных направлениях [20]. Измерены скорости движения фронта стримеров [6, 7], зарегистрированы спектры излучения [2-7, 13] и другие характеристики. Наиболее распространенные «столбчатые» спрайты напоминают столбы красного цвета, стартующие с высот 95-70 км и располагающиеся в пространстве вертикально отдельными группами. Так называемые «морковные» спрайты берут начало на высотах 80-75 км и на интегральных фотографиях имеют форму, напоминающую форму моркови с несколькими струями («корнями»), которые распространяются вниз [18, 19]. Вверх распространяются диффузные струи («листья»), которые формируются с некоторым запаздыванием относительно струй, распространяющихся к верхней границе грозовых облаков. Механизм их формирования также является стримерным, но из-за уменьшения давления воздуха они имеют форму диффузных конусов, которые вначале расширяются по мере их продвижения вверх. Кроме того, спрайты сопровождаются излучением в виде небольших ярких пятен, а также нитей, имеющих более слабую светимость. Как уже отмечалось, к настоящему времени достоверно установлено, что формирование красных спрайтов и голубых струй обусловлено развитием стримеров, которые имеют длину десятки километров (см., например, [3, 8, 20]). Параллельно с изучением спрайтов в естественных условиях, что требует больших материальных затрат, предпринимаются попытки исследования их аналогов в лабораторных условиях, отметим работы [4, 21-24]. Установлено, что в положительном столбе тлеющего разряда [4, 21], а также при апокампическом разряде [22] воспроизводится цвет красных спрайтов и спектральный состав их излучения. В 2022 г. нами было показано [25-27], что для моделирования красных спрайтов можно использовать стримеры (волны ионизации), инициируемые емкостным разрядом. В данной работе будем использовать для их обозначения термин плазменные диффузные струи (ПДС). На установке с двумя кольцевыми электродами в [25-27] были сформированы ПДС длиной до 50 см. Было установлено, что длина ПДС увеличивается с уменьшением давления воздуха. Однако в настоящее время нет ответов на ряд важных вопросов, касающихся условий инициирования стримеров в красных спрайтах и их развития во времени. В частности, мало данных об эмиссионных спектрах спрайтов в синей и ультрафиолетовой областях спектра. Отметим, что исследованиям стримеров в различных условиях посвящено огромное число работ, в том числе монографий (см., например, [28]). Для инициирования стримера необходимо сформировать плазму со сравнительно высокой концентрацией электронов и поместить ее в электрическое поле. Стримерный механизм пробоя позволяет за короткое время осуществить быстрый пробой газа при различных давлениях как в однородном, так и в неоднородном электрических полях. Цель настоящей работы - исследовать в лабораторных условиях стримеры (волны ионизации), имеющие форму, цвет и скорость распространения фронта, аналогичные наблюдаемым в «столбчатых» спрайтах, а также увеличить длину плазменной диффузной струи. Экспериментальные установки и методики Исследования ПДС проводились на двух установках, в которых по сравнению с работами [25-27] были применены новые системы их инициирования. Кроме того, для получения стримеров длиной более 1 м была увеличена длина безэлектродной области. Схема экспериментальной установки № 1 с инициированием ПДС-разрядом с одним диэлектрическим барьером показана на рис. 1. Рис. 1. Схема экспериментальной установки № 1: 1 - кварцевая трубка диаметром 21 мм с закрытым левым (относительно читателя) торцом, 2 - кольцевой высоковольтный электрод, 3 - заземленный электрод-фланец из алюминия, 4 - основная кварцевая трубка с внешним диаметром 55 мм, 5 - фланец из капролона Главная часть установки - это соединенная с форвакуумным насосом камера, которая состояла из двух кварцевых трубок с электродами, и генератор напряжения Ug. Трубка 1 с толщиной стенки 1.5 мм имела форму стакана с внешним диаметром 21 мм. На ней снаружи устанавливался высоковольтный цилиндрический электрод 2, имеющий ширину 1 см. Трубка 1 вставлялась в металлический фланец 3, который являлся вторым электродом и был заземлен. Основная трубка 4 имела внешний диаметр 55 мм, толщину стенок 2.5 мм и длину 120 см. С правой стороны она закрывалась фланцем из капролона 5, который имел штуцер с отверстием диаметром 5 мм для напуска и откачки газа. Трубка была изготовлена из кварца марки GE 214 с высокой прозрачностью в спектральной области 210-1500 нм. Фланцы 3 и 5 вакуумноплотно соединялись с кварцевыми трубками. Для инициирования ПДС к электродам 2 и 3 прикладывалось напряжение от Ug. Генератор Ug формировал импульсы напряжения положительной или отрицательной полярности с длительностями фронта и спада ~ 350 нс, амплитудой до U0 = 7 кВ и длительностью на полувысоте ≈ 2 мкс. Частота следования импульсов в данных экспериментах составляла 21 кГц. Ток разряда между электродами 2 и 3 протекал внутри камеры и был ограничен диэлектрическим барьером - стенкой кварцевой трубки 1. Схема экспериментальной установки № 2 с инициированием ПДС-разрядом с двумя барьерами показана на рис. 2. Рис. 2. Схема установки № 2: 1, 2 - электроды, 3 - основная кварцевая трубка с внешним диаметром 55 мм, 4 - фланец из капролона, 5 - фланец из капролона с вмонтированным окном из кварца КУ-1 Основная кварцевая трубка и генератор в установках № 1 и 2 были одинаковы. Отличие заключалось лишь в конструкции электродного узла. В установке № 2 оба электрода были изготовлены из алюминиевой фольги, имели ширину 1 см и длину 5 см и устанавливались вплотную к внешней поверхности кварцевой трубки у левого фланца 5. Электроды располагались напротив друг друга вдоль трубки. В экспериментах трубка заполнялась комнатным воздухом с влажностью 23%. При проведении спектральных измерений также применялся особо чистый азот с малым содержанием примесей (чистота 99.999%). Перед каждым напуском воздуха или азота камера предварительно откачивалась до остаточного давления p = 10-2 Торр, а затем наполнялась газом до нужного давления. Напряжение на промежутке измерялось делителем ACA-6039 («AKTAKOM»), а ток разряда шунтом. Сигналы с делителя и шунта записывались осциллографом Tektronix MDO 3104 (1 ГГц, 5 выборок за наносекунду). Интегральное свечение плазмы разряда регистрировалось цифровым фотоаппаратом Canon 2000D («CANON»). Эмиссионные спектры снимались при помощи спектрометров HR2000+ES (Δλ = 200-1150 нм; Δλinstr ≈ 0.9 нм; «OceanOptics Inc.») и HR4000 (Δλ = 300- 400 нм; Δλinstr ≈ 0.2 нм; «OceanOptics Inc.») с известной для каждого кривой спектральной чувствительности. Скорость фронта волны ионизации определялась на установке № 2 с помощью фотоприемника SiPM компании «ONSEMI» (модель MicroSC/FC), встроенного в микрочип MicroFC-SMA-60035. Излучение на фотоприемник транспортировалось посредством световода, приемный конец которого при измерениях располагался напротив центральной оси трубки на расстоянии от правого края электродов 1, 11 или 21 см. При измерениях регистрировалось 3-5 импульсов излучения, синхронизированных с импульсами тока и напряжения. Результаты и их обсуждение Внешний вид стримеров спрайтов и ПДС и их цвет Обычно спрайтом называют совокупность нескольких стримерных разрядов, которые наблюдаются одновременно в интервале 1-100 мс [6, 7]. Длительность импульсов ПДС в данных экспериментах обычно составляла ~ 10 мкс. Столь большой диапазон длительностей излучения спрайтов, а также их отличие от длительности импульсов ПДС обусловлены различными размерами спрайтов и их сложной формой. Длительности спрайтов связаны, во-первых, с их огромными продольными и поперечными размерами, достигающими десятки километров. Во-вторых, формирование отдельных стримеров в ветвях спрайтов происходит с временным разбросом. В-третьих, если рассматривать отдельный стример, то следует учитывать, что наиболее ярко светит его головка, а она в «столбчатом» спрайте обычно проходит большое расстояние (~ 10 км). Соответственно, интегральная длительность излучения отдельного «столба» спрайта будет равна отношению его длины к скорости. Как известно, скорости отдельных стримеров в спрайтах составляют 1-10 мм/нс (см., например, [6, 7]). Тогда длительность свечения только одного «столба» в спрайте будет 1-10 мс. В данном выпуске журнала не предусмотрена демонстрация цветных рисунков, поэтому мы будем использовать черно-белые изображения, описывая их цвета как для ПДС, так и для спрайтов. На рис. 3 приведены фотографии двух отдельных стримеров «столбчатых» спрайтов (а, б), которые были получены при съемках в различное время, и плазменных диффузных струй в воздухе и азоте (в, г). Для удобства сравнения фотографии ПДС повернуты на 90° и область их инициирования расположена вверху. Это сделано на основании предварительных экспериментов при различных положениях основной кварцевой трубки. Форма и размеры ПДС при прочих равных условиях не зависели от ориентации трубки, а направление их распространения было при всех положениях трубки вдоль ее оси, начиная с области инициирования ПДС. Рис. 3. Фотографии отдельных струй «столбчатых» спрайтов (а, б), любезно предоставленные нам фотографом Frankie Lucena [15] с разрешением их использования в публикациях, а также ПДС, полученных на установке № 2 при давлении p = 0.4 Торр воздуха (в) и азота (г) Из рис. 3 видно, что форма «столбчатых» спрайтов и ПДС, полученных в эксперименте, подобны. Более размытую границу верхней части спрайтов можно объяснить различием в их инициировании. «Столбчатые» спрайты формируются из области плазмы, где начальная концентрация электронов сравнительно мала. Это следует из низкой интенсивности излучения этой области. Для инициирования ПДС мы использовали плотную плазму емкостного разряда. Как видно из рис. 3, в, г, наибольшая интенсивность излучения ПДС наблюдается из области, следующей за областью их инициирования, которая у электродов более темная и может иметь голубой цвет. К сожалению, мы не можем привести цветные фотографии ПДС и спрайтов. Отметим только, что цвет стримеров спрайтов и лабораторных стримеров, а также их спектры, подобны. В данных экспериментах было подтверждено, что длина ПДС увеличивается с уменьшением p воздуха и увеличением U0. Уменьшение p до 0.2 Торр позволило получить на обеих установках длину ПДС, которая равнялась длине основной кварцевой трубки. Отличие в форме диффузных струй наблюдалось только у инициирующего разряда. На установке № 1 диаметр струи вначале увеличивался, а затем уменьшался. На установке № 2 инициирующий разряд занимал весь объем трубки, что обеспечивало наибольший диаметр струи у электродов. Спектры излучения стримеров при низких давлениях Спектральные измерения в области 250-1100 нм были проведены для ПДС и других областей разряда при давлениях 0.04-1.5 Торр, что соответствует высотам над уровнем моря от 71 до 44 км. В лабораторных условиях это легко делать с высокой точностью. В указанной спектральной области сосредоточены наиболее интенсивные полосы второй положительной (2+), первой положительной (1+) систем молекулярного азота и первой отрицательной (1-) системы молекулярного иона азота. Точность измерения спектров излучения в лабораторных экспериментах значительно выше, чем в натурных, из-за гораздо меньшего расстояния между областью разряда и спектрометром. В атмосфере Земли поглощение излучения в синей и УФ-области спектра существенно выше, чем в красной [29]. Это влияет на результаты измерений и завышает относительную интенсивность излучения в красной области спектра при фотографировании спрайтов. На рис. 4 приведены спектры излучения из ПДС на расстоянии 61 см от электродов 1 и 2. Рис. 4. Спектры излучения ПДС на расстоянии 61 см от электродов 1 и 2. Установка № 2, p = 0.2 Торр, U0 = -7 кВ: а - обзорный эмиссионный спектр в области 280-900 нм; б - эмиссионный спектр в области 500-900 нм, полученный через фильтр ЖС-16, который поглощал излучение с длиной волны короче 500 нм Как в спектрах излучения спрайтов, так и в спектрах излучения ПДС при p = 0.2 Торр и выше доминирует излучение 2+ и 1+ полос азота. При этом в ПДС интенсивность отдельных полос 2+ системы с наибольшей спектральной плотностью энергии W на порядок и более, в зависимости от давления воздуха, превышает W полос 1+ системы азота с наибольшей спектральной плотностью энергии. Подобные результаты были получены в [25-27]. В спектре излучения ПДС при p = 0.4 Торр и выше полосы 1+ системы азота в области длин волн 550-900 нм имеют наибольшую спектральную плотность энергии. С уменьшением давления воздуха до 0.2 Торр в спектре струи появлялась интенсивная линия атома водорода (H ) с длиной волны 656.3 нм. Данная линия отсутствует в спектре излучения азота высокой чистоты, в том числе при уменьшении его давления до 0.04 Торр. Можно утверждать, что появление H связано с наличием в воздухе паров воды и увеличением при уменьшении давления приведенной напряженности электрического поля E/p (E - напряженность электрического поля, p - давление газа). Было установлено влияние E/p на спектры излучения воздуха и азота из различных областей разряда. При увеличении E/p на спектрограммах появляются интенсивные полосы первой отрицательной системы азота, изменяется соотношение между спектральной плотностью энергии 2+ и 1+ систем азота, появляются атомарные линии водорода, кислорода и других частиц. В частности, на сантиметровых расстояниях от электродов и в области окончания ПДС увеличивается интенсивность излучения 1- системы азота. Это приводит к появлению в свечении разряда излучения голубого цвета. Таким образом, спектры излучения из области между электродами и на сантиметровых расстояниях от электродов имеют иной вид в сравнении со спектрами ПДС. При давлениях воздуха 0.04 Торр и ниже цвет ПДС становится белым. Изменение цвета при низких p воздуха обусловлено увеличением E/p и диссоциацией частиц воздуха, в том числе паров воды. В результате за счет молекулярных и атомарных переходов вновь созданных частиц и ионов появляется широкополосное излучение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, изменяющее цвет ПДС. Скорость фронта плазменной диффузной струи В лабораторном эксперименте весьма просто измерять скорость фронта ПДС (стримера) при изменении p. Для этого фотоприемник устанавливался на различных расстояниях от правого края электродов 1 и 2 (установка № 2, см. рис. 2). При давлениях 0.2-1.5 Торр пробой воздуха между электродами происходил на фронте импульса напряжения и струи красного цвета имели длину более 21 см. С увеличением давления длина струи уменьшается и при p = 3 Торр становится короче 21 см. При давлении p ~ 9 Торр и более струи при напряжении генератора U0 = 7 кВ не формировались, но в области между электродами наблюдался разряд. Зависимость скорости фронта ПДС от p, полученная на основании измеренных задержек, приведена на рис. 5, а. При давлениях ниже 0.2 Торр скорости не измерялись ввиду нестабильности пробоя воздуха. Рис. 5. Зависимость скорости фронта ПДС от давления. Средняя скорость фронта стримера на отрезках 1-11 (кр. 1) и 11-21 см (кр. 2) от правой (относительно читателя) кромки электродов (а). Приведенная напряженность электрического поля E/p на оси кварцевой трубки на различных расстояниях от левого фланца (-5 см): 1 - одинаковое расстояние (2.5 см) от краев электродов; 2, 3, 4, 5 - 1.5, 21, 41 и 61 см от правого края электродов соответственно (б). Установка № 2, U0 = -7 кВ, p = 0.2 Торр Давление 0.2 Торр соответствует давлению воздуха на высоте над уровнем моря 60 км и входит в область наблюдения красных спрайтов. Импульсы излучения, полученные при изменении расстояния от области инициирования диффузных струй, были синхронизированы между собой. Поскольку их амплитуда по мере удаления от электродов уменьшалась, то она нормировалась на единицу и определялось время, соответствующее задержкам сигнала на половине интенсивности излучения. Из рис. 5, а видно, что скорость фронта стримера снижается с удалением фронта ПДС от электродов. Также ее уменьшение имеет место с увеличением p. Это связано с уменьшением E/p. При p ≥ 0.08 Торр задержка до пробоя воздуха увеличивалась и становилась нестабильной. При дальнейшем уменьшении p волны ионизации не формировались. Расчет параметров плазмы в плазменных струях Используя эмиссионный спектр плазмы в диапазоне длин волн 300-400 нм, содержащий большое число полос излучения, принадлежащих 2+ и 1- системам молекулы и иона азота соответственно, а также применяя метод, основанный на измерении пиковых интенсивностей полос молекулярного иона азота (λ = 391.4 нм) и нейтральной молекулы азота (λ = 337.1 нм) [30], были проведены оценки приведенной напряженности электрического поля E/p в плазме на различных расстояниях от зоны основного разряда (рис. 5, б). E/p определяет среднюю температуру электронов Te в зоне прохождения волн ионизации и других областях разряда, что позволяет сопоставлять полученные Te с наблюдаемым цветом и спектрами излучения. Из рис. 5, б видно, что наибольшие значения E/p реализуются в зоне между электродами, а затем уменьшаются. При этом величина E/p при удалении от электродов на десятки сантиметров не изменяется заметным образом, что может быть только при стримерном механизме развития пробоя в ПДС. Кроме того, стримерному механизму соответствует величина E/p в струе. Подобные величины E/p зарегистрированы при низких давлениях в лабораторных экспериментах [31] и в красных спрайтах [32]. Заключение Проведенные исследования показали, что при низких давлениях воздуха и азота (0.04-3 Торр), создавая плазму импульсно-периодического барьерного разряда с различными конструкциями электродов, можно формировать плазменные диффузные струи - цилиндрические стримеры, с формой, близкой к форме спрайтов «столбчатого» типа. При этом в широком диапазоне давлений и напряжений цилиндрические стримеры имеют красный цвет, который обусловлен излучением 1+ системы азота. Установлено, что длина стримеров при напряжении генератора 7 кВ и давлении воздуха 0.4 Торр и менее может превышать 1 м. Показано, что на цвет стримеров влияет величина приведенной напряженности электрического поля E/p. При высоких значениях E/p цвет разряда изменяется и становится голубым вблизи электродов, а также в конце ПДС. Голубой цвет определяется излучением 1- и 2+ систем молекулярного иона и молекулы азота соответственно. При малых давлениях 0.04 Торр и ниже ПДС в воздухе имеют белый цвет. Белым цвет стримеров становится при низких давлениях воздуха за счет увеличения E/p и диссоциации частиц воздуха, в том числе примеси паров воды. За счет молекулярных и атомарных переходов новых нейтральных частиц и ионов появляется широкополосное излучение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. В будущих исследованиях планируется сравнить при одинаковых давлениях и напряжениях характеристики стримеров цилиндрической формы в различных типах разрядов. Для этого будут исследованы цилиндрические стримеры коронного разряда, которые прорастают с электродов положительной полярности, имеющих малый радиус кривизны [33, 34], цилиндрические стримеры апокампа [22, 35], а также стримеры ПДС.

Скачать электронную версию публикации