Физика явлений, происходящих в газовых разрядах с непрерывным и импульсным подводом электрической энергии, как основа лазерных технологий. Виды, свойства и характеристики разрядов. Разряд униполярного пробоя газа, его вольт-амперные характеристики.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

• Введение
• Глава I. Разряды. Их виды, свойства и характеристики
• I.1 Описание явления
• I.2 Газовый разряд
• I.2.1 Тлеющий разряд
• I.2.2 Коронный разряд
• I.2.3 Дуговой разряд
• I.2.4 Зажигание дуги
• I.2.5 Темный (таунсендовский) разряд
• I.2.6 Разряды сверхвысокой частоты (СВЧ-разряды)
• I.2.7 Высокочастотные (ВЧ) разряды
• Глава II. Разряд УПГ, его характеристики
• II.1 Свечение газа
• II.2 Особенности разряда униполярного пробоя газа
• II.3 Размерный эффект
• II.3.1 Развитие разряда униполярного пробоя газа
• II.3.2 Схема наблюдения РЭ, результаты его исследования
• II.4 Зависимость скорости распространения разряда УПГ от соотношения между главными параметрами его возбуждения
• II.5 Выполнение закона сохранения заряда в начальной стадии развития разряда УПГ
• II.6 Исследование импульсного электрического поля, излучаемого поверхностью стеклянной трубки с разрядом униполярного пробоя газа
• II.7 Нормальная плотность тока в разряде УПГ
• II.8 Несамостоятельный ток в разрядном промежутке
• Глава III. Экспериментальное исследование вольт-амперных характеристик униполярного пробоя газа
• III.1 Экспериментальная установка
• III.2 Компьютерный осциллограф DSO 2100
• III.3 Вольт-амперная характеристика одиночного зонда
• III.4 Получение данных для построения вольт-амперных характеристик
• III.5 Построение вольтамперных (ВАХ) характеристик одноэлектродного разряда униполярного пробоя газа (УПГ) по распределению электрических зарядов на поверхности стеклянной трубки с амплитудой импульсного потенциала положительной полярности
• Заключение
• Литература

Введение

Физика явлений, происходящих в газовых разрядах с непрерывным и импульсным подводом электрической энергии, является основой лазерных технологий, определивших за последние десятилетия общий технический прогресс. Однако с точки зрения фундаментальных законов физики существующая теория многих явлений, наблюдаемых в различных типах разрядов, не является достаточно убедительной. Именно к такого рода явлениям относится и разряд униполярного пробоя газа (УПГ): в разряде УПГ нет ни металлических поверхностей, эмитирующих электроны, нет и продольного поля, необходимого для их разгона до формирования области разрядной плазмы [1-4].

Разрядный столб - свечение газа в разряде УПГ - возникает как при положительной, так и при отрицательной полярности импульсного потенциала на единственном покрытии - электроде (ПЭ) на наружной поверхности одного из концов трубки с разреженным газом. Свечение газа возникает вслед прохождения по его объему свободных объемных зарядов (СОЗов), которые появляются в объеме газа возле ПЭ при поступлении на него импульсов высоковольтного потенциала [3].

Существуют условия, когда разряд в газе создается с помощью единственного покрытия электрода (ПЭ), на который подается высоковольтное импульсное напряжение амплитудой более 0,8 кВ, частотой следования 500-1500 Гц и длительностью импульсов порядка 10 мкс. Этот разряд получил название униполярного пробоя газа (УПГ).

Явление униполярного пробоя газа (УПГ) представляет собой однополярный вид разряда в газе с электродом, на который подаются высоковольтные импульсы потенциала положительной или отрицательной полярности.

Отсутствие непосредственного контакта покрытия-электрода с газовой средой предполагает безэлектродный ввод энергии в ее объем.

Основными параметрами перемещаемых по объему газа СОЗов являются: их радиус , плотность их зарядов и их квазипотенциальное поле . Плотность объемного заряда СОЗов зависит только от давления газа; их радиус изменяется на длине их пробега в объеме газа трубки. Соответственно изменению радиуса СОЗов изменяется и их электростатическое поле , которое проявляется своим воздействием на газовую среду ионизацией, возбуждением и поляризацией ее молекул [2].

Последовательное уменьшение радиуса СОЗов при их удалении от единственного покрытие - электродов, размещенного снаружи на поверхности стенки трубки, проявляется в наблюдении светящегося столба разряда в форме конуса [3].

Работа посвящена исследованию вольт-амперных характеристик (ВАХ) разряда униполярного пробоя газа в широких интервалах давлений газа и амплитуд импульсного потенциала положительной полярности. Рассматриваются результаты экспериментов с разрядом униполярного пробоя газа, связи вольт-амперных характеристик с графиками напряженности поля на поверхности трубки E (ц) и поверхностной плотности у (ц).

По результатам исследований делаются выводы о природе наблюдаемых явлений.

Глава I. Разряды. Их виды, свойства и характеристики

I.1 Описание явления

В самом общем смысле электрическим пробоем называется процесс превращения непроводящего вещества в проводник в результате приложения к нему достаточно сильного поля. Ионизированное состояние, в которое приходит газ при пробое, может возникать за разные промежутки времени - от 10^-8 с до нескольких секунд, но чаще всего это происходит за 10^-4-10^-8 с. Ионизация достигает заметной величины не сразу, постепенно, и, как правило, пробой сопровождается видимой невооруженным глазом световой вспышкой. Если внешнее поле прикладывается на достаточно длительное время, то в результате пробоя может зажечься разряд, который будет гореть, пока действует поле. Так происходит в любых электрических полях: постоянном, импульсном, периодическом, в поле электромагнитной волны, световой. Предел, до которого нарастает ионизация, диктуется конкретными условиями. Ее степень может быть порядка 10^-8 при зажигании тлеющего разряда, ток которого ограничен большим сопротивлением внешней цепи. Это может быть и полная однократная ионизация всех атомов, как случается при пробое под действием интенсивного лазерного импульса.

Первичным и главным элементом сложного процесса пробоя является электронная лавина, которая развивается в газе под действием поля. Лавина начинается с небольшого количества затравочных электронов, которые появляются случайно, скажем под действием космических лучей (как это принято, например, в работах Ю.П. Райзера, Дж. Мика, Дж. Крэгса и других авторов [5-11] применительно к безэлектродным и емкостным разрядам). Ее может начать даже один электрон. Чтобы надежно спровоцировать возникновение лавины, для облегчения пробоя при экспериментальных исследованиях, пользуются искусственными источниками первичных электронов (например, облучают катод или газ ультрафиолетовым излучением, вызывающим фотоэффект). Под действием электрического поля электрон набирает энергию. Достигая энергии, несколько превышающей потенциал ионизации, он ионизирует молекулу, теряя при этом свою энергию. В результате появляются два медленных электрона. Они снова ускоряются полем и также производят ионизацию - получается четыре электрона, и т.п. Происходит это в ходе систематического дрейфового сноса лавины, если поле постоянное, и в быстропеременном поле, когда электроны в основном "топчутся на месте", совершая колебания.

Явление пробоя имеет резко выраженный пороговый характер. Это значит, что пробой происходит только при полях, превышающих определенное для каждых конкретных условий значение. Так, повышая напряжение на разрядном промежутке, мы до поры до времени не замечаем каких-либо изменений в состоянии среды. При определенных значениях напряжения ионизация бурно развивается, приборы регистрируют ток, наблюдается вспышка, свечение газа. Существование порога связано с резкой зависимостью скорости ионизации атомов электронным ударом от величины поля и с тем, что наряду с ионизацией, обеспечивающей размножение электронов, имеются механизмы, которые ставят препятствия на пути развития лавины.

Лавину тормозят потери энергии электронов и потери самих электронов. Первые замедляют приобретение в поле энергии, достаточной для ионизации. Вторые приводят к обрыву цепей в цепной реакции размножения. Электроны теряют энергию на возбуждение электронных состояний атомов и молекул, молекулярных колебаний и вращений, а также при упругих столкновениях. Электронные цепочки обрываются в результате диффузионного ухода электронов из области действия поля (в частности, на стенки), прилипания в электроотрицательных газах. При пробое газа между электродами, к которым приложено напряжение, электроны устраняются в результате вытягивания их полем на анод. Рекомбинация не принадлежит к числу тех механизмов гибели электронов, которые оказывают существенное влияние на порог пробоя. Судьба лавины, будет она развиваться или нет, решается на ранней ее стадии, когда электронов и ионов так мало, что их встреча маловероятна. Скорость рекомбинации пропорциональна квадрату плотности зарядов. При малых плотностях рекомбинация намного уступает механизмам гибели, линейным по плотности электронов: выносу полем на анод, диффузии на стенки, прилипанию. Однако рекомбинация, возрастающ...