Экспериментальные и теоретические исследования стримерных разрядов методами эмиссионной оптической спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

Щербаков Юрий Владимирович

Экспериментальные и теоретические исследования стримерных разрядов методами эмиссионной оптической спектроскопии

Специальность 01.04.08 - физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2007

003060968

Работа выполнена в Высоковольтном научно-исследовательском центре - филиале федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский электротехнический институт имени В И Ленина» (ВНИЦ ВЭИ имени В И Ленина), г Истра Московской области

Официальные оппоненты — доктор физико-математических наук,

профессор

Ульянов Константин Николаевич (ФГУП ВЭИ, г Москва)

кандидат физико-математических наук

Филиппов Анатолий Васильевич

(ГНЦ РФ ТРИНИТИ, г Троицк Моек обл)

Ведущая организация — Московский физико-технический институт

(государственный университет), г Москва

Защита состоится 27 июня 2007 года в «77» часов на заседании диссертационного совета Д217 039 01 при Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский электротехнический институт имени В И Ленина» (ФГУП ВЭИ), 111250, г Москва, ул Красноказарменная, 12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ВЭИ

Автореферат разослан 28 мая 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Л

А С Соболева

ъ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется крупной научно-технической проблемой экспериментального и теоретического исследования электрических разрядов в газовых промежутках

Стримерный разряд (стримерная стадия) является одной из важнейших начальных стадий полного или незавершенного электрического разряда в газах В длинных и коротких воздушных промежутках атмосферной плотности уединенный стример обладает, как правило, характерной нитевидной структурой, умеренной степенью ионизации нейтрального газа в канале на уровне Ю^-Ю"4 относительных единиц, высокими электрическими полями в области головки 400-800 Тд и высокими скоростями распространения (2-20)х107 см/с В резко-неоднородных полях под воздействием высоких импульсных напряжений с коротким фронтом стримерный разряд обычно развивается в виде сильно-разветвленной структуры, состоящей из отдельных нитевидных каналов

Стримерный разряд как одна из начальных стадий определяет характеристики газовой изоляции Большое применение стримерный разряд находит в различных электроразрядных технологиях в устройствах для очистки воздуха от оксидов серы и азота и от органических газообразных примесей, а также в устройствах для производства озона Непрерывно возникают новые приложения стримерных разрядов как в покоящейся окружающей среде, так и в движущейся В последнее десятилетие большой интерес в мире возник к стримерным разрядам в связи с эффектами их воздействия на свойства течения окружающего газа в приложении к проблеме снижения аэродинамического сопротивления летательных аппаратов, снижения акустических шумов и др

Все сказанное выше определяет значимость текущих и дальнейших экспериментальных исследований стримерных разрядов в целом

Большой информативной значимостью обладают спектрально-оптические методы исследований структуры и физических параметров стримерных разрядов Несмотря на систематические успехи в данной области исследований, полный объем полученных данных о стримерах еще далек от завершения Успехи применения спектрально-оптических методов диагностики растут параллельно с углублением общетеоретического осмысления стримерных разрядов, с повышением возможностей численного моделирования с применением компьютеров, с расширением и уточнением базы данных в смежных научных областях, а также с непрерывным совершенствованием методов и средств измерений

Неслучайно в последнее десятилетие появилось много работ, посвященных спектрально-оптической диагностике стримерных разрядов различных типов В этих работах получено немало новых данных, а многие ранее известные данные и свойства получены и описаны на новом методическом уровне При исследовании стримерных разрядов в воздухе или в газовых смесях на основе воздуха наибольшее развитие получили методы спектрально-оптической диагностики, основанные на измерении эмиссионных спектров полос первой отрицательной (ПОС) и второй положительной (ВПС) систем молекулярного азота Настоящая работа посвящена дальнейшему развитию этого актуального направления исследований

Целью данной работы является исследование физических параметров стримерного разряда в коротких воздушных промежутках спектрально-оптическим методом, основанным на измерении и анализе эмиссионных спектров (0,0)-полос первой отрицательной (ПОС) и второй положительной (ВПС) систем молекулярного азота

Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи

1 Создать экспериментальную установку для спектрально-оптической диагностики с применением высокоскоростных ФЭУ, обеспечивающую высокостабильные характеристики разряда с течением времени и обладающую высокими чувствительностью и пространственно-временным разрешением на уровне 0 2-0 8 не и 0 01-0 1 мм При сопоставимом пространственном разрешении и светосиле временное разрешение создаваемой установки должно превзойти в 10-20 раз временное разрешение, достигаемое в аналогичных установках Это позволит впервые провести измерения световых сигналов с адекватным разрешением в отличие от прежних исследований, в которых длительность световых сигналов оказывалась в десятки раз больше, чем следовало из теоретических оценок.

2 Разработать метод спектрально-оптической диагностики стримерных разрядов, основанный на измерении абсолютных и относительных интенсивностей (АОИ) синхронизированных локальных временных профилей (0,0)-полос ПОС и ВПС азота Методы АОИ, применяемые ранее для анализа световых сигналов, регистрируемых без адекватного пространственно-временного разрешения и синхронизации, не дают детальной информации, а также имеют большие погрешности и неоднозначность при восстановлении физических параметров стримера из результатов измерений световых сигналов. Кроме того, стандартный метод АОИ имеет принципиальный недостаток, обусловленный несовпадением максимумов сигналов различных полос азота, соответствующих различным физическим координатам распространяющихся фронтов

3 Провести измерения локальных синхронизированных временных профилей излучения полос азота в абсолютных единицах целиком на протяжении разрядного промежутка при развитии положительной периодической стримерной короны постоянного тока (ППСКПТ) в высокостабильном предпробойном режиме ее горения в воздухе атмосферной плотности

4 По результатам экспериментальных исследований определить двумерную структуру и физические параметры в головке первичного стримера, в первую очередь такие как приведенное электрическое поле, концентрация электронов и радиус стримера

Методы исследования:

Для решения поставленных задач использовались аналитические методы, положения теории электрического разряда в газах, численное моделирование с применением персональных компьютеров, методы экспериментальных исследований слабоионизованной плазмы, техника оптической спектроскопии, методы и техника сверхбыстрых оптических и радиоизмерений

Научная новизна работы состоит в следующем

1 Впервые создана и использована экспериментальная установка для спектрально-оптической диагностики с применением высокоскоростных ФЭУ, обеспечивающая высокостабильные характеристики разряда с течением времени и обладающая рекордными чувствительностью и пространственно-временным разрешением на уровне 0 2-0 8 не и 0 01-0 1 мм в режиме регистрации однократных импульсов

2 Впервые предложен метод синхронного отношения абсолютных временных профилей (0,0)-полос ВПС и ПОС азота, обобщающий традиционные методы АОИ для распространяющихся фронтов с высокими градиентами величин Особенностью метода является измерение синхронизированных временных профилей излучения полос азота в абсолютных единицах с высоким временным и пространственным разрешением в продольном направлении (1Ь разрешением) вдоль оси разрядного промежутка Данный диагностический метод, позволяющий восстановить прямым методом подгонки двумерную структуру головки стримера без проведения измерений с пространственным разрешением в радиальном направлении, основан на двух взаимосвязанных положениях, предложенных и реализованных впервые

21 Полуаналитическая полуторамерная (15Б) параметрическая гидродинамическая модель головки стримера в стадии стационарного распространения стримера в средней части промежутка, составляющая теоретическую основу метода диагностики в части описания свойств плазмы разряда В рамках модели разработан соответствующий эффективный численный алгоритм для расчета пробных профилей излучения и физических параметров в головке стримера, позволяющий реализовать процедуру подгонки пробных теоретических профилей, рассчитанных прямым методом, к экспериментальным профилям

2 2 Полная спектроскопическая методика регистрации и расчета эмиссионного

излучения (0,0)-полос ВПС и ПОС распространяющихся стримерных разрядов, учитывающая характеристики всех компонент спектрально-оптического измерительного канала, включая пространственно-временное разрешение и разрешение по длинам волн

3 Впервые проведены измерения синхронизированных абсолютных временных профилей (0,0)-полос ПОС и ВПС азота в первичном стримере ППСКПТ при атмосферной плотности, выполненные с адекватными синхронностью, пространственно-временным и спектральным разрешением в многофотонном режиме работы ФЭУ

4. По результатам экспериментальных исследований впервые выполнена полная реконструкция двумерной структуры и определены физические параметры в головке первичного стримера, такие как приведенное электрическое поле, концентрация электронов и его радиус

Практическая значимость:

1 Созданная экспериментальная установка и метод диагностики могут использоваться как основа для дальнейших аналогичных исследований,

обеспечивающих более высокий уровень достоверности результатов, чем ранее, применительно к более широкому классу электрических разрядов

2 Практически реализовано и показано, что исследовательские установки для спектрально-оптической диагностики стримерных разрядов в воздухе атмосферной плотности классическим щелевым методом с пространственным разрешением в продольном направлении могут быть созданы на основе ФЭУ в многофотонном режиме, которые обеспечивают полностью адекватное пространственно-временное разрешение Преимущество использования ФЭУ в многофотонном режиме по классической схеме перед другими способами состоит, прежде всего, в наивысшей достоверности при измерении формы импульсного сигнала, а также в наличии хорошо разработанного метрологического обеспечения для абсолютных измерений

3 Экспериментальные результаты, полученные с адекватным пространственно-временным разрешением почти во всех точках разрядного промежутка, устанавливают, что длительности спектрально-оптических сигналов в полосах ПОС и ВПС азота составляют от долей до единиц наносекунд, что в 10-20 раз короче, чем обычно фигурирует в научной литературе Такие короткие длительности оптических сигналов даже без детального анализа показывают, что характерные геометрические размеры головки стримера составляют доли миллиметра

4 Полученные результаты по измерению электрических полей и концентраций электронов в головке стримера подтверждают основные положения теории стримерного разряда в коротких воздушных промежутках

5 Полный набор других экспериментальных результатов, включая измерения в приэлектродных областях, анализ которых в данной диссертационной работе был выполнен только качественно, могут служить опорными данными для верификации теорий стримерного разряда, в том числе основанных на моделях, учитывающих нелокальные и существенно нестационарные процессы в сильных электрических полях

Положения, выносимые на защиту;

1 Параметры экспериментальной установки для спектрально-оптической диагностики на основе высокоскоростных ФЭУ, обеспечивающей рекордное пространственно-временное разрешение на уровне 0 2-0 8 не и 0 01-0 1 мм при адекватной светосиле в многофотонном режиме работы ФЭУ как при регистрации однократных импульсов, так и с накоплением.

2 Метод синхронного отношения абсолютных временных профилей (0,0)-полос ВПС и ПОС молекулярного азота, обобщающий традиционные методы АОИ и включающий две составные части

2 1. Полуторамерная (1 5Б) параметрическая гидродинамическая модель головки стримера в стадии стационарного распространения в средней части промежутка, а также соответствующий численный алгоритм для расчета пробных профилей излучения и физических параметров в головке стримера

2 2 Полная спектроскопическая методика регистрации и расчета эмиссионного излучения (0,0)-полос ВПС и ПОС в абсолютных единицах

6

3 Результаты измерений синхронизированных абсолютных временных профилей (0,0)-полос ПОС и ВПС азота в первичном стримере ППСКПТ при атмосферной плотности, выполненные при адекватной синхронности и пространственно-временном разрешении в многофотонном режиме работы ФЭУ.

4 Результаты экспериментальных исследований в части двумерной структуры и физических параметров в головке первичного стримера, такие как приведенное электрическое поле, концентрация электронов и радиус стримера

Личный вклад соискателя:

Из 20 работ, опубликованных по теме диссертации, 14 выполнены с соавторами и 6 без соавторов Главная содержательная часть диссертационной работы, отраженная в указанных публикациях, выполнена в рамках самостоятельного подразделения 28 3 ВНИЦ ВЭИ (руководитель Ю В Щербаков) при выполнении конкурсного проекта МНТЦ№1123 (руководитель Ю В Щербаков) Все публикации и диссертация подготовлены на основе Заключительного отчета МНТЦ, а также материалов в стадии подготовки предложения по проекту и его выполнения Целиком совпадающие цели и задачи настоящей диссертационной работы и проекта № 1123 были поставлены соискателем самостоятельно Выполнение работы в целом осуществлялось под руководством соискателя

Соискатель проводил исследования, готовил данные и тексты, формулировал выводы для статей [17,18] и докладов [2,3,5-7,9-12,14,16,20], опубликованных с соавторами Примерный вклад и объем работ отражены в полном дополнительном списке опубликованных научных работ соискателя (всего 59 работ), посвященных исследованию электрических разрядов в коротких и длинных воздушных промежутках Статьи и доклады [1,4,8,13,15,19] подготовлены и опубликованы соискателем самостоятельно без соавторов Личный вклад соискателя в работы, опубликованные с соавторами, состоит в постановке и решении проблем, в планировании и разработке экспериментальных методик измерения и теоретических методов анализа полученных результатов, в проведении измерений и обработке экспериментальных результатов, в выполнении расчетов по существующим теориям, формулировке выводов, а также представлении докладов на конференциях Соискатель полностью подготовил диссертацию, положения, которые выносятся на защиту и выводы Таким образом, личный вклад автора диссертации в диссертационную работу и получение научных результатов, которые выносятся на защиту, является определяющим

Апробация работы:

Основные положения работы докладывались и обсуждались на

• международной конференции по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям - (CEIDP, Austin, Texas, USA October 17-20,1999),

• Всероссийском электротех конгрессе (М июнь/июль 28-03,1999),

• 8м международном симпозиуме «Электротехника 2010» (М. май 23-27,2005),

• двадцать седьмом Международном конгрессе по высокоскоростной фотографии и фотонике - (ICHSPP Xi'an, China, Sep 17-22,2006),

• на научно-техническом совете ГУЛ ВЭИ имени В И Ленина «Высоковольтная импульсная и преобразовательная техника»,

• на семинаре научного центра "Физики неравновесных систем" МФТИ

Материально-техническое обеспечение:

Данная работа выполнена на экспериментальной базе Высоковольтного научно-исследовательского центра - (ВНИЦ ВЭИ имени В И Ленина), г Истра МО при финансовой поддержке США по контракту с Международным Научно-Техническим Центром (МНТЦ), Москва

Публикации:

По основному содержанию и результатам опубликовано 20 печатных научных работ, из них 2 тезиса докладов на международных конференциях, 14 докладов на международных конференциях, одна печатная работа в ВИНИТИ и 3 статьи в рецензируемых журналах (1 - в российском, 2 - в зарубежном)

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из шести глав, включая введение и заключение, и списка литературы Общий объем 220 страниц Основная часть (главы 2, 3, 4, 5, всего 183 страницы) содержит 125 страниц машинописного текста, включая 5 таблиц, и 58 рисунков, содержащих 100 отдельных диаграмм на 58 страницах Список литературы включает 164 наименования

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе (во введении') обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель исследования и задачи работы, дана характеристика научной новизны диссертационной работы и выносимых на защиту научных положений и результатов, а также краткая аннотация работы.

Во второй главе выполнен обзор литературных данных, освещающий основные этапы исследования стримерных разрядов в коротких воздушных промежутках, а также современное состояние исследований стримеров на основе прецизионных методов эмиссионной оптической спектроскопии. Обзор литературы подтверждает актуальность темы, а также дополнительно раскрывает цели и задачи диссертационной работы, описанные во введении

Концепция стримера, названного в Германии «каналом», была выдвинута в период с 1935 по 1940 годы по итогам работ, выполненных Флеглером (Flegler) и Ретером (Raether), Лебом (Loeb), а также Миком (Меек) Эта концепция выражала сопровождаемый электрическим током узкий нитевидный светящийся канал, который быстро перекрывает и закорачивает перенапряженный разрядный промежуток в атмосферном воздухе и других газах Это было шагом вперед по отношению к более ранней теории Таунсенда, в которой пробой рассматривался как результат последовательности поколений экспоненциально растущих электронных лавин, поддерживаемых вторичной эмиссией с катода

В 40х годах Ретер измерил скорость стримеров, анализируя фотографии, полученные с помощью пузырьковых камер С появлением в 50х-60х годах осциллографов типа Tektronix 513D, 541 и 517 с временным разрешением 8-10 не в результате работ Амина (Amin), Андерсона (Andersson), а также Гудсона (Hudson) и Леба щелевым оптическим методом с применением ФЭУ были выявлены две

8

последовательные фазы развития стримера - первичный и вторичный стримеры, а также измерены скорости их распространения

Исследования 70х-80х годов ознаменовались существенным улучшением пространственно-временного разрешения установок на основе ФЭУ, в том числе по классической схеме и с применением времени-амплитудных конвертеров (ВАК) В работах Галлимберти (Gallimberti), Мароде (Marode), Хартманна (Hartmann), Гольдманна (Goldmann), Икуты (Ikuta) и Кондо (Kondo) и др были выполнены измерения электрических полей и концентраций электронов в стримерных и лидерных разрядах методом относительных и абсолютных интенсивностей (АОИ) (0,0)-полос ПОС и ВПС азота и температуры газа по вращательным спектрам В числе нерешенных проблем следует отметить, прежде всего, неадекватное временное разрешение при исследовании разрядов при атмосферной плотности, а также большой статистический разброс в режиме с накоплением и недостаточную синхронизацию Временное разрешение установок с использованием ФЭУ в многофотонном режиме работы было, как правило, в 10-20 раз хуже, чем требовалось для разрешения фактических импульсных световых сигналов В установках с использованием ВАК теоретическое временное разрешение хотя и было существенно лучше, однако в реальных измерениях это достигалось в ущерб пространственному разрешению В теоретическом плане отмечается упрощенное описание кинетической схемы, констант скоростей реакций и/или модели стримера

Дальнейший прогресс в спектроскопических исследованиях стримерно-коронного и барьерного разряда в последнее десятилетие можно охарактеризовать по работам двух основных коллективов

• интернациональный коллектив, включающий исследователей из нескольких стран Германии - Wagner, Brandenburg и др , России - Козлов, Юргеленас и др, Эстонии - Laan, Haljaste, Amts, Pans и др , Чехии - Navratil и др,

• коллектив научного центра "Физики неравновесных систем" (НЦ ФНС) МФТИ (руководитель А Стариковский), Россия

В работах международного коллектива реанимирована технология измерений с применением ВАК для исследования стримерных микроразрядов в барьерном разряде, в результате которых апробированы измерения с (2D=1L*1R) пространственным разрешением, определено электрическое поле методом относительных интенсивностей (ОИ) (0,0)-полос ВПС и ПОС азота, выполнено детальное численное моделирование и анализ механизмов развития разряда Особо следует отметить прецизионные измерения ОИ (0,0)-полос ВПС и ПОС азота, выполненные по классической спектроскопической схеме в темном таунсендовом разряде Среди нерешенных проблем следует отметить неадекватное пространственное разрешение в схеме с ВАК, а также отсутствие разработанного метрологического обеспечения для контроля временного разрешения и для измерений абсолютных интенсивностей в схеме с ВАК

В работах коллектива НЦ ФНС по исследованиям импульсно-периодического стримерно-коронного разряда в коротких воздушных промежутках (24-90 мм), выполненным аналогично работе Галлимберти-1974, использована более корректная модель разряда и константы скоростей реакций, чем ранее, однако нерешенные проблемы регистрации остались те же При исследовании высокоскоростной волны ионизации (ВВИ) в разреженном воздухе (0 1-30 Topp)

9

под действием импульсов высокого напряжения (ИВН) с короткими фронтами (3-5 не) измерены временные профили абсолютных интенсивностей (0,0)-полос ПОС и ВПС, методом АОИ определены электрическое поле и концентрация электронов за фронтом волны с учетом модельной функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), согласованы электрические и оптические измерения, разработана теория ВВИ Кроме того, измерены двухчастичные константы тушения состояний И2(С) и ^+(В) в распадающейся ВВИ, что имеет особую ценность в связи с тем, что подобные данные встречаются в научной литературе крайне редко

Резюмируя сказанное, следует отметить, что задачей первостепенной важности на современном этапе исследований стримерных разрядов в воздухе атмосферной плотности является создание экспериментальной установки для спектрально-оптической диагностики с применением высокоскоростных ФЭУ, обеспечивающую высокостабильные характеристики разряда с течением времени и обладающую высокими чувствительностью и пространственно-временным разрешением на уровне 0 2-0.8 не и 0 01-0 1 мм. Этот вывод подтверждает актуальность и важность задач, поставленных в диссертационной работе Другие поставленные задачи №№2-4 генетически вытекают из возможностей средств измерений при реализации задачи №1

В третьей главе разработан полностью самосогласованный метод диагностики стримерно-разрядной плазмы, основанный на анализе АОИ ВПС и ПОС азота Теория метода объединяет спектроскопическую методику расчета временных профилей абсолютных интенсивностей (0,0)-полос ВПС и ПОС, а также самосогласованную полуаналитическую параметрическую аксиально-симметричную полуторамерную (1 5Б) модель головки нитевидного стримера

В данной диссертационной работе делается акцент на взаимном анализе трех коррелированных во времени временных профилей, измеряемых и рассчитываемых в абсолютных единицах, а именно профилей полос ВПС и ПОС и их синхронного отношения Эти три временных профиля, разрешенных во времени и пространстве вдоль оси распространения стримера (те, 1Ь пространственно разрешенных профиля), имеющих неограниченное число степеней свободы, позволяют, в принципе, выполнить реконструкцию двумерной (2Б) структуры головки стримера, даже не проводя измерений с пространственным разрешением в радиальном направлении Данное обстоятельство становится принципиально возможным благодаря различной зависимости взаимно-коррелированных временных профилей от (2Б) структуры головки стримера

Спектроскопическая методика учитывает характеристики всех компонент спектрально-оптического измерительного канала, включая пространственно-временное разрешение и разрешение по длинам волн Также учитываются хроматическая аберрация фокусирующей осветительной линзы, погрешности в настройке изображения объекта на входную щель, а также коррекция щелевой функции при неравномерном освещении вдоль ширины входной щели монохроматора

Модель головки стримера характеризуется некоторым пробным внутренне согласованным допустимым осевым параметрическим профилем электрического

поля в совокупности с профилями концентраций электронов и пространственного заряда, полностью согласованных друг с другом и с пробным электрическим полем Дополнительно конструируется соответствующая двумерная (2D) конфигурация для поля и для концентрации электронов через специальные эллипсоподобные геодезические линии (линии равных значений) Абсолютные величины и синхронное отношение временных профилей (0,0)-полос ВПС и ПОС, разрешенных во времени и в продольном направлении пространственно (lL-разрешение), отношение их амплитуд, а также полная мощность излучения обоих профилей были использованы для реконструкции 2D структуры головки стримера

С помощью процедуры подгонки непосредственно рассчитываемых профилей выходных импульсных сигналов к экспериментальным, описанным в главе 5, было найдено, что приведенное электрическое поле и плотность электронов в головке стримера в средней части промежутка составляют 430-500 Тд и (2—3)х 1014 см"3, соответственно. А соответствующее абсолютное электрическое поле, таким образом, составило 70-80 kB/см при начальной температуре газа в канале периодического стримера около 450 К

При выполнении процедуры подгонки различные взаимно-коррелированные временные профили, рассчитанные прямым методом, подгоняются к экспериментальным профилям путем допустимой вариации параметров модели. Когда достигается приемлемое совпадение между теоретическими и экспериментальными временными профилями, параметры модели принимаются за фактические параметры в головке стримера

Согласно данной комбинированной теории численные расчеты охватывают следующие подэтапы

• двумерное (2D) интегрирование мгновенных локальных заселенностей возбужденных состояний азота по осе-симметричному объему головки (и в общем случае - канала) стримера,

• трехмерное (3D) интегрирование (свертка) яркости, спектральной функции излучения, спектральной функции монохроматора (или аппаратной щелевой функции) по ширине входной и выходной щели и по длинам волн,

• коррекция временного разрешения,

• одномерное (1D) усреднение в осевом направлении вследствие стохастического разброса временных профилей от импульса к импульсу,

• решение нульмерных (0D) дифференциальных уравнений 1го порядка для заселенностей состояний азота,

• решение уравнений непрерывности для электронов и полного пространственного заряда, соответствующих «пробному» внутренне согласованному профилю электрического поля,

• расчет констант скоростей реакций как функций приведенного электрического поля и другие вспомогательные расчеты

Большое внимание уделяется процедурам калибровки Всякий раз, когда возможно, численные расчеты верифицируются по и дополняются реальными калибровками средств измерений полного измерительного канала В целом в работе полностью реализована процедура калибровок в абсолютных единицах или

Рисунок 2 - Концептуальная карта приведенного электрического поля над двумерной осе-симметричной координатной плоскостью (х, р)

силовые линии электрического поля, профили эл поля вдоль силовых линий, линия максимумов эл поля вдоль всех силовых линий (хребет эл поля), проекция хребта эл поля на плоскость, геодезическая линия поля, одна из эквипотенциальных линий, Рисунок 1 - Концептуальная картина осевых — — одна из линий равных значений плотности мгновенных пространственных профилей электронов

электрического поля Е, концентраций электронов и„ и полного пространственного заряда и, с их логарифмическими производными

поэлементно, или комплектно, что позволило корректно выполнить расчет выходных регистрируемых сигналов с помощью спектроскопических интегралов

Аналитическая запись фундаментальных спектроскопических интегралов в автореферате опущена из-за их громоздкости (см общее описание схемы расчета выше и диссертацию)

Для построения полуаналитической полуторамерной (1 5Р) параметрической гидродинамической модели головки стримера в стадии стаиионарного распространения стримера в средней части промежутка использовался полный набор уравнений трехмерной (ЗБ) модели стримера, включающий уравнения непрерывности для электронов и ионов в совокупности с уравнением Пуассона и законом сохранения полного электрического тока Затем, следуя Вонгу и Кунхардту [1], исходный набор уравнений был преобразован к системе трех дифференциальных уравнений в специальном частотно-подобном виде для концентрации электронов пе, полного пространственного заряда и

электрического поля & (или Е, что полностью эквивалентно для логарифмических величин)

(пе)ь, = К - + Уев. +

(А21а) (А21Ь)

(А21с)

Здесь для краткости использовано нетрадиционное обозначение для производной некоторой функции/по переменной х (/)х = 8//дх И аналогично для логарифмической производной

(А13а)

дх / дх

Далее, для случая стационарного распространения стримера вдоль и вблизи оси два первых уравнения были трансформированы в следующую эквивалентную форму

Ми = +уЕК+1,рИ '

(»> =—+уРк+у»)- ].

(А22а) (А22Ь)

где Ç = 4 = (l + Ç) vM = -иfkfl)Lx, ns=n+-ne-n., v, = a\ue\, vatt=i)\ve|,

-o

VDR = neqßjs, vER = nsqßj S,vph= Sph I ne

Кроме того, получены некоторые критерии, которые задают диапазон допустимых вариаций параметров модели Из уравнения (А22Ь) для точки, в которой выполняется условие (ns)Li = 0, получено выражение для ns mali и vER max

^ER, max

(A22c)

Аналогично, для точки, в которой (ne/ns\t = 0, получено из (А22а) и (А226)

- С N

Я/Ч)тш = 1 1 VER g Vß * Ь * 1/ 1/ X ç 1/ VER * v

„ 1 v' ;

(A22d)

И наконец, из уравнений (А22а), (А226) и уравнения для поля (А21в) получено аналогично выражение, отражающее закон сохранения полного электрического тока (детальные параметрические обозначения смотри в диссертации)

4/4*3^ . (А22е)

Затем были декларированы и обоснованы концептуальные формы однопиковых осевых профилей и двумерной картины поля, рисунки 1 и 2 После чего были заданы внутренне согласованные параметрические зависимости, аналитически описывающие пробные осевые профили электрического поля через минимально возможное число параметров, а также сопряженную с ним двумерную параметрическую карту

Задавая пробный произвольный осевой профиль приведенного электрического поля через параметры 5max, lsat и Д, однозначно рассчитываются соответствующие пространственные профили концентрации электронов и полного пространственного заряда с помощью соотношений (А22а)-(А22е) После чего конструируется двумерная картина приведенного электрического поля и соответствующей концентрации электронов

Справедливость данной

параметрической модели и алгоритма для расчета осевых профилей была детально верифицирована и доказана по итогам сравнения с результатами прецизионных двумерных

расчетов, взятым и из работ Куликовского |2], Георгиу (Gcrghiou), Морроу (Morrow) и др. [3]. Для сравнения были выбраны произвольные случаи развития стримера в стадии стационарного (к в ази -стациона рного) распространения. В приложении исключительно к диагностике посредством процедуры подгонки разработанная здесь модель имеет два преимущества в сравнении с цитированном двумерным

моделированием. Во-первых, эта модель ire имеет ограничений из-за некорректностей в задании глобальных начальных и граничных условий, а также не нр и вязана к предыстории развития стримера. Во-вторых,

длительность проведения расчетов даже в очень коротком воздушном промежутке длиной около 0.1 см с использованием прецизионного 20-метода из работы Георгиу составляет около 10-^20 часов, тогда как наши упрощенные расчеты занимают несколько минут, но дают при этом почти те же результаты.

Время (не)

Рисунок 3 - Теоретические локальные временные профили (з) и соответствующие синхронные теоретические осциллограммы, рассчитанные с набором частот ту| пения в форме Пан четного; диа^ам.мы ¿шя (0.0У полосу умножен:-.! на

коэффициент 10.

Далее приведены результаты прямых расчетов выходных импульсных сигналов е полосах азота, исходные физические параметры в головке стримера в которых задавались так, чтобы реализовать также и процедуру подгонщ теоретических временных профилей к экспериментальным.

При подгонке теоретических профилей к экспериментальным, уделяется особое внимание следующим параметрам взаимно-коррелированных синхронных выходных временных профилей: абсолютным величинам амплитуд и ШГ1В профилей для излучения с полосах обеих систем ВИС и НОС и временному сдвигу между ними; значению синхронного отношения в минимуме и его положению относительно обеих профилей. В первом приближении эти метрологические характеристики очень чувствительны к различным Изменениям характеристик выходных спектральных сигналов даже без абсолютно точной подгонки теоретических профилей к экспериментальным. Значение синхронного отношения /¡к- в минимуме сильно зависит от величины приведенного электрического поля вблизи оси, в то время как отношение амплитуд обоих профилей зависит в большей

мере от 20-структуры стримера на периферии Кроме того, амплитудное значение и 1111Ш профилей приближенно задают (и описывают) полную мощность излучения для профиля в целом, которые также характеризуют 2D-CTpymypy стримера в целом

Анализ результатов проводится в работе на основе набора частот тушения, взятых из работы Али и др [4] и Панчешного и др [5] На рисунке 3(a) представлены осевые профили приведенного электрического поля и концентрации электронов, а также приведенное электрическое поле вдоль хребта поля для набора констант тушения из работы [5] Обнаружено, что наилучшее согласие между теоретическими и экспериментальными профилями (см для сравнения рисунок 8) достигается при величине максимума электрического поля около 430 Тд (или 70 2 кВ/см при 7^=450 К)

Процедура подгонки оказалась одинаково эффективной для обоих наборов частот тушения Подгонка теоретических профилей к экспериментальным была выполнена в пределах допустимой вариации параметров модели Было найдено, что характерная величина концентрации электронов в головке стримера в средней части промежутка составляет около (2-3) 1014 см"3, а максимальное значение приведенного электрического поля составляет около 500 Тд и 430 Тд для наборов частот тушения из работ [4] и [5], соответственно

В четвертой главе описана экспериментальная установка для спектрально-оптической диагностики стримерных разрядов Экспериментальная установка, рисунок 4, содержит разрядную камеру, а также оборудование для спектрально-оптической диагностики и измерения электрических токов

Положительная (катодо-направленная) стримерная корона постоянного тока, периодически возникающая в автоколебательном режиме в коротком воздушном промежутке типа «точка-плоскость», распространяется вдоль оси промежутка по направлению от анода к катоду Изображение траектории разряда фокусируется на входной щели спектрографа или монохроматора с помощью ахроматической кварцевой линзы, полностью согласованной с монохроматором по апертурам Временные импульсные сигналы излучения в полосах азота, возникающие в процессе распространения разряда, регистрируются с использованием узкой щелевой системы шириной 0 01-01 мм, выделяющей (вырезающей) узкое поперечное сечение разрядного промежутка

Наилучшее инструментальное разрешение монохроматора в совокупности с линзами достигается при оптическом увеличении входной линзы с коэффициентом единица, когда линза расположена посередине между разрядом и входной щелью монохроматора на двойном фокусном расстоянии от каждого из них Использовался монохроматор ORIEL У* м (фокальная длина 250 мм, дифракционная решетка 5x5 см2 с числом штрихов 600 на миллиметр, относительное отверстие 1/4 4)

Два экземпляра фотоумножителей типа СНФТ19, пристыкованные к выходной щели монохроматра (спектрографа) обеспечивают импульсный электрический сигнал около 1-500 мВ Первый образец, обладающий высокой чувствительностью и умеренным временным разрешением, используется для регистрации очень слабых сигналов при умеренном временном разрешении Наоборот, второй экземпляр,

обладающий невысокой чувствительностью и экстремально-высоким быстродействием, используется для регистрации относительно сильных сигналов при высочайшем временном разрешении. Их характеристики, соответственно, следующие время нарастания импульсной характеристики около 0 7 и 0 3 не, спектральная анодная чувствительность на длине волны 337 1 нм около 105 и 103 А/Вт Далее, эти сигналы усиливаются с помощью согласованных широкополосных усилителей с импедансом 50/50 Ом, которые имеют коэффициент усиления по напряжению в диапазоне от 40 до 60 дБ и время нарастания переходной характеристики от 0 1 до 0 16 не, соответственно

Линейные аналоговые унифицированные электрические сигналы 1-4 В поступают на вход аналого-цифровых регистраторов СРГ7 (время нарастания переходной характеристики - 66 пс) Дополнительно к измерительной системе на основе СРГ7 используется цифровой запоминающий осциллограф Tektronix TDS3052 (500 MHz, 5 GSa) в основном для регистрации сигналов в частотно-импульсном режиме с накоплением и усреднением по выборке в несколько сотен однократных сигналов стримера, следующих друг за другом

Эксперименты были проведены с открытой разрядной камерой в лабораторном воздухе при температуре окружающего воздуха 25-27 С, т е 300 К Стабильная периодическая корона в промежутке длиной 1 см возникала при напряжении около 11-12кВ, при котором и были выполнены все измерения Характерная частота следования импульсов составляла около 14-16 кГц, что соответствует периоду около 70-60 цс между последовательными импульсами единичных стримеров Средняя мощность, диссипируемая в стримерном канале, составляла около 0 В Вт Эта оценка сделана по величине постоянного тока через разрядный промежуток и по импульсному сигналу (временному профилю) тока

Во всех экспериментах цифровые осциллографы и регистраторы запускались с помощью пикового выброса тока катодного датчика Датчик представляет собой изолированную осесимметричную секцию диаметром 1-2 мм, располагающуюся внутри и заподлицо с телом катода по его оси симметрии. Длительность фронта этого сигнала составляла 0 5 не

Рисунок 5 — Синхронизированные осциллограммы спектрально-оптических и электродинамических сигналов 7 5 мм от катода, осциллограф Tektronix TDS3052 в режиме однократных сигналов (слева) и накопления (справа), ширина щели 0 09 мм (слева) и 0 02 мм (справа) для ВПС и 0 05 мм для ПОС, анодный ток, расчетное напряжение на промежутке

Высокая стабильность формы и амплитудных значений импульса тока катодного датчика позволяла достичь степени синхронизации временных профилей световых сигналов, регистрируемых в непосредственной близости от поверхности катода, не хуже 01 не На удалении от катода разброс взаимно коррелированных характеристик временных профилей световых сигналов был больше.

Пиковый выброс тока катодного датчика соответствует моменту прибытия стримера к поверхности катода, относительно которого заданы временные привязки всех сигналов Момент времени 0 не на всех экспериментальных картинах, зарегистрированных в режиме накопления и усреднения, точно соответствует времени, при котором пиковый выброс тока катодного датчика дорастает приблизительно до половины амплитуды Этот момент времени отделяет временные отрезки развития первичного и вторичного стримера, а именно первичный стример развивается на предшествующем отрезке, то есть в отрицательные моменты времени, тогда как вторичный стример развивается на последующем отрезке, то есть в положительные моменты времени Если не делается акцент на точной синхронизации, точка нулевого момента времени располагается произвольно

В пятой главе представлены результаты взаимно-коррелированных спектрально-оптических и электродинамических измерений положительной стримерной короны постоянного тока в коротком воздушном промежутке

В прикатодной области эмиссионные временные профили полос ПОС и ВПС в стадии развития первичного стримера были зарегистрированы при взаимно-коррелированной синхронизации не хуже 0 1 не, а также при пространственно-временном разрешении около 0 01-0 1 мм вдоль оси стримера и 0 2-0 4 не в многофотонном режиме работы ФЭУ и режиме регистрации однократных сигналов измерительной системы Было обнаружено, что наиболее короткое время нарастания соответствующих выходных импульсов напряжения составило около 0 3-0 4 не для (0,0)-полосы ВПС и 0 2-0 3 не для (0,0)-полосы ПОС, а ширина на полувысоте (ШПВ) около 1 4-1 5 не и 0 5-0 6 не, соответственно

Кроме того, были зарегистрированы абсолютные величины и отношение синхронных временных профилей (0,0)-полос ВПС и ПОС на протяжении всего разрядного промежутка в режиме накопления и усреднения измерительной системы

."■■ 1 ' 1......

/

1 (0 0) полоса

- Д ; V

\! \ !

—

0 1 2 3 4 5 6

Время (нс)

Рисунок 6 - Осциллограммы спектральных

сигналов 04 мм от катода, регистратор СРГ7 в режиме однократных сигналов,

высокоскоростной ФЭУ (Го5=0 42 нс), ширина щели 0 01-0 02 мм для ВПС и 0 1 мм для ПОС

при несколько худшем временном разрешении, но при адекватной стабильности и стохастичности

Измерены и представлены различные вспомогательные

характеристики, такие как синхронные временные профили анодного и катодного токов, скорость стримера, вращательные спектры (0,0)-полос ВПС и ПОС, спектральные щелевые функции, температура нейтрального газа в канале стримера, а также проведены спектрально-оптические калибровки

Главные экспериментальные результаты, иллюстрирующие адекватность измерений и надежную применимость описанного в главе 3 метода исследований, а также измерения основных вспомогательных параметров (температура газа в канале, скорость распространения стримера), обеспечивающих полную самосогласованность исследований, представлены ниже

Осциллограмма временных профилей световых сигналов в (0,0)-полосе ВПС с достоверной формой как для первичного, так и для вторичного стримеров, записанная в режиме регистрации однократных импульсов, получена при ширине щели монохроматора около 0 09 мм, рисунок 5 (слева), причем ШПВ пика первичного стримера составила 3 8 нс Кроме того, на диаграмму наложены также осциллограмма анодного тока и напряжение на разрядном промежутке, рассчитанное с помощью осциллограммы тока и известной измеренной емкости промежутка

Вдали от катода, где светимость относительно мала, измерения импульсных сигналов (0,0)-полос обеих систем излучения азота с приемлемым разрешением в пространстве, по длинам волн и по амплитуде, проведены в режиме накопления и усреднения Импульсные сигналы, рисунок 5 (справа), полученные с адекватным разрешением, обеспечиваемым умеренно узкой щелью монохроматора (около 0 02-0.05 мм шириной), оказываются уширенными вследствие стохастической нестабильности развития первичного стримера вдоль промежутка во времени от импульса к импульсу. Этим объясняется некоторое расхождение между ШПВ сигналов, полученных в режиме регистрации однократных сигналов (3 8 нс) и в режиме накопления и усреднения (4.8-5 8 нс). При использовании узкой щели сигналы дополнительно усиливались широкополосным усилителем, последовательно подключаемым к выходу фотодетектора

На небольших расстояниях от катода форма импульсных сигналов в обеих системах излучения азота намного острее, чем у анода. Кроме того, вторичный стример не достигает этой области Образцовые картины импульсных сигналов в полосах ПОС и ВПС излучения азота получены в режиме регистрации однократных сигналов с помощью СРГ7, используя сверхбыстрый фотодетектор (7о5=0 4нс) #02546, рисунок 6 Ширина щели выбрана 0 01-0.02 мм для ВПС и 0 1 мм для ПОС

Длина вопмы, > (ни) Лпннлдппны, л (им)

Рисуник7 — Г!эиц;пе.:ь:;ая структура полос ВПС (слева) и НОС (справа) в с .ии:' распространения первичного стримера вблизи катода.

Временной профиль ВПС соответствует случаю полного разрешения во времени и пространстве. Можно считать, что это наиболее узкий профиль из всех возможных, которые могут быть зарегистрированы в данных условиях развития стримерного разряда. Временной профиль ПОС получен на пределе временного разрешения измерительного канала и в реальности должен быть несколько уже, чем представленный на рисунке. При более узкой щели около 0.03 мм наблюдались сигналы I ЮС, имеющие ШПВ около 0.5-0.6 не.

Вращательная структура полос обеих систем ПОС и ВПС излучения азота, рисунок 7, была зарегистрирована в режиме накопления и усреднения. Все спектры получены для первичного стримера около катода. Импульсные сигналы излучения получены описанным выше стандартным способом для каждой длины волны исследуемого спектра; амплитуда импульсных сигналов принималась за спектральную величину при данной длине волны. Видно, что спектры (0,0)-полос обеих систем пригодны для решения двух главных задач: во-первых, для корректного применения методов абсолютных и относительных интенсивностей; во-вторых, для определения щелевой функции. Спектр (0,0)-полосы ВПС пригоден также для оценки вращательной температуры.

Путем сравнения расчетных теоретических спектров при различных вращательных температурах с экспериментальными найдено, что температура в канале первичного стримера в средней части разрядного промежутка составляет около 400 К, а вблизи катода - около 500 К, а температура в точке 1.5 мм от катода около Тг =450±40 К, которая и была принята для анализа временных профилей.

Тем же способом, который использовался для получения спектров, были зарегистрировал г ы локальные временные профили на протяжении всего разрядного промежутка с шагом вдоль оси от 0.05 до 0,25 мм. Ширина щели монохроматора составляла 0.02 мм для ВПС и 0.05 мм для ПОС. На рисунке 8 (слева) представлены синхронизированные временные профили (0,0)-полос ВПС и ПОС, зарегистрированные на расстоянии 1.5 мм от катода. Здесь же представлена ключевая характеристика взаимно коррелированных временных профилей излучения представляющая собой синхронное отношение абсолютной величины сигнала от излучения в (0,0)-полосе ВПС к абсолютной величине сигнала в тот же момент времени от излучения в (0,0)-полосе ПОС.

Временные профили на расстоянии 1.5 мм от катода

Мгновенные пространственные профили в момент времени (-2) не

0.6-

0.5-

со 0.4

о.э-

8-

С 0.2-

01-

0.0-

. / .ч X

■ \

/ -- *. % . / /

у

—■— ВПС. (0-0) полоса * ПОС. (0-0) полоса

16 _ ОТ

Время (не)

Расстояние от катода (ми)

Рисунок 8 - Осциллограммы спектральных сигналон ВПС и НОС и временной профиль их отношения (слева); соответствующие им мгновенные пространственные профили (справа); кривые для ПОС умножены на коэффициент 10.

•0.2-

„ -0.4 "о

-У

3 -о.в £ -1.о

о о. § -1,2

-1.4

-1.6

О

1

БРЗ, (04)>-полоса, ПБ на фронте РМв. (0-0}-полоеа, Лб на фронте ЗР5, (О-ОЬполоса, лик - РМБ, (0-0)-полоса, пик

0.0-г*-1—Г ■0,2- | |

•20 -15 Бремя (не)

•0,2 „ -0.4-0.6 -

1-1.0-о о. § -1.2-О

-1.4-1.6

I

■ £Р8 (О^-гимтэсэ.Пе на фронте * РМ5 (О.р).п[>лоса. ПВ из фронта

3 4 5 6 7 8 Расстояние " катода (нн;

Рнсуиок 9 - Скорость перемещения точек, располагающихся па характерных уровнях мгновенных пространственных профилей нормированных интенсивности]! излучения и (0,0)-полосах ЛОС и ВПС. Величина скорости в каждой точке вычислена численным дифференцирована*ем массивов данных по смещению профилей, представленных на рисунке К.

Дополнительными к локальным временным профилям излучения полос азота являются мгновенные пространственные профили светимости стримера, рисунок 8 (справа). Набор одномерных массивов данных по локальным временным профилям для различных точек пространства целиком на протяжении промежутка был объединен в совокупный двумерный массив данных интенсивности излучения как функции двух координат пространства-времени. Из такого двумерного массива получены мгновенные пространственные профили как функции пространственных координат, которые представляют собой временное сечение совокупного двумерного массива данных.

Скорость распроетратгения первичного стримера, рисунок 9, дана для разных случаев и в зависимости от различных координат. Величина скорости в каждой точке получена численным дифференцированием массивов данных по смещению профилей, как на рисунке 8. Благодаря специальной конфигурации электродов и точечного анода скорость почти вдоль всего промежутка составляет около 3-107 см/с в стационарной стадии распространения стримера, а также около ] .СМ-1.5103 см/с в момент финальных скачков стримера вблизи катода. Это позволяет успешно применять квази стационарную модель развития первичного стримера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итог изложенному в работе, результаты проведенных исследований можно резюмировать следующим образом

1 В работе представлены результаты взаимно-коррелированных спектрально-оптических и электродинамических исследований положительной стримерной короны постоянного тока в коротком воздушном промежутке в высокостабильном предпробойном режиме ее горения Особое внимание было уделено измерению абсолютных интенсивностей второй положительной (ВПС) и первой отрицательной (ПОС) систем молекулярного азота, а также дальнейшему повышению пространственно-временного разрешения наряду с высокой синхронизацией и стабильностью

2 Методически, спектрально-оптические измерения были разделены на две категории

• измерения наиболее быстрых и коротких временных профилей вблизи катода в режиме регистрации однократных сигналов с целью верификации полного пространственно-временного разрешения измерительной системы в многофотонном режиме работы ФЭУ,

• количественные измерения временных профилей в каждой точке разрядного промежутка как в режиме регистрации однократных сигналов, так и в режиме с накоплением по небольшой выборке

Полученные в совокупности данные свидетельствуют о полностью адекватном временном разрешении для ВПС и вполне адекватном разрешении для ПОС во всех используемых режимах регистрации

3. В стадии стационарного распространения стримера, то есть в средней части разрядного промежутка в пределах от 6 5 до 1 мм от катода, ШПВ сигналов в обеих

полосах существенно больше, а их амплитуды существенно меньше, чем вблизи катода Апеллируя к измерениям в режиме однократных импульсов с наивысшим разрешением вблизи катода, детальные исследования пространственно-временной структуры излучения обеих полос было проведено в режиме накопления и усреднения измерительной системы на основе осциллографа Тек1л)шх3052 Сверхскоростной ФЭУ средней чувствительности (705=0 4 не, «103 А/Вт) #02546 был заменен на высокочувствительный ФЭУ умеренного быстродействия (~105 А/Вт, 7о5=0 8 не) #02615 Временное разрешение высокочувствительного ФЭУ было вполне адекватным в данном пространственном домене для регистрации временных профилей ВПС и ПОС

Такой комбинированный способ измерений позволил зарегистрировать излучение обеих полос на протяжении всего разрядного промежутка с приемлемыми экспериментальными ошибками Несмотря на то, что имеются различные усредняющие и сглаживающие факторы (хроматические аберрации, длина расфокусировки, неравномерное освещение входной щели монохроматора и др), высокая степень синхронизации взаимно-коррелированных временных профилей существенно уменьшает множество неопределенностей с помощью теоретических расчетов и экспериментальных калибровок согласно разработанному здесь методу

4 Определены необходимые вспомогательные параметры в канале периодического стримера С помощью вращательного спектра (0,0)-полосы ВПС, полученного при среднем разрешении по длинам волн, определена температура газа в канале, составившая Tg =450±40 К

5 Установлено, что благодаря специальной конфигурации электродов и анодного острия скорость распространения первичного стримера на протяжении основной части разрядного промежутка почти постоянна и составляет около 3 107 см/с В этом специальном режиме применима квазистационарная модель развития первичного стримера

6. Полученные характеристики спектрально-оптического канала, условия в разрядном промежутке и параметры калибровок, детально описанные в данной работе, позволяют рассчитать оптические характеристики первичного стримера и, таким образом, реализовать метод синхронного отношения абсолютных временных профилей

7 Установлено, что синхронизированные временные профили излучения полос азота полученные без пространственного разрешения в радиальном направлении (0R), а только с разрешением в продольном направлении (1L) характеризуются высокой способностью для реконструкции объемной концентрации электронов и 20-структуры головки стримера. Данное обстоятельство становится принципиально возможным благодаря различной зависимости взаимно-коррелированных временных профилей от (2D) структуры головки стримера.

8 Найдено, что приведенное электрическое поле и концентрация электронов в головке стримера в средней части промежутка составляют 430—500 Тд и (2-3)х 1014 см"3, соответственно, причем 500 Тд для набора частот тушения в форме Али [4], а 430 Тд — в форме Панчешного [5] А соответствующее абсолютное электрическое поле, таким образом, составило 70-80 kB/см при начальной температуре газа в канале периодического стримера около 450 К (см выше) Кроме того, были выявлены радиальные параметры 2Б-структуры головки стримера, которые составили радиус электронной плотности канала стримера в Гауссовой форме - около г„=01 мм, радиальная полуось проекции линии хребта электрического поля на плоскость - около га= 0 4 мм.

9. Полученные результаты по измерению электрических полей и концентраций электронов в головке стримера подтверждают основные положения теории стримерного разряда в коротких воздушных промежутках.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1 Щербаков Ю В 1997 Физические параметры стримерных разрядов в воздухе Деп в ВИНИТИ М3237-В97 от 31 октября 1997 г 45 с

2 Shcherbakov Yu V, Lupeiko А V, Zyuzin L N and Rybak V V 1998 The informational-measuring system of nanosecond (sub-nanosecond) pulse signals Proc of the 29,h Plasmadynamics and Lasers Conference of the American Institute of Aeronautics and Astronautics (29,h AIAA PDL-5 Conf) {Albuquerque, June 15-18, 1998) ID 98-2659

3 Bortnik I M and Shcherbakov Yu V 1999 The eventual role of the streamer-cathode interaction in applying to the electrotechnology Proc of the Ail-Russian Electrotechnical Congress (.Moscow, June/July 28-03, 1999) 1 237-8, ID 4-46

4 Shcherbakov Yu V 1999 Spectroscopic study of the filamentaiy streamer discharges 1 Analysis of two-dimensional structure of the streamer head Proceedings of the XXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG) (Warsaw, July 11-16, 1999) ID P-214 2 167-8

5 Bortnik I M, Shcherbakov Yu V and Zyuzin L N 1999 Same 2 Experimental ibid ID P-213 2 165-6

6 Bortnik IM, Shcherbakov Yu V and Zyuzin L N 1999 Spectroscopic study of positive streamer in short air gap Proc of the XI International Symposium on High-Voltage Engineering (ISH99), (London, August 23-27, 1999) 3 23-26

7 Shcherbakov Yu V, Shilova A V and Syssoev V S 1999 The near-surface evolution of streamer discharges Annual Report of the Conf on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP) (Austin, USA Oct 17-20, 1999) 2 662-5

8 Shcherbakov Yu V 2001 Actual probe currents m streamer diagnostics Proc of the XXV ICPIG (Nagoya, Japan, July 17-22, 2001) 4 81-2

9 Shcherbakov Yu V and Nekhamkin L I 2005 An emission spectroscopy method applied to accurate diagnostics of initial stages of the gas discharges Proc of the VII Symposium "Electrical Engineering"(SEE) (Moscow, Russia May 23-27, 2005) ID 7 12

10 Shcherbakov Yu V and Nekhamkm L I 2005 Accurate spectroscopic studies of streamer discharges 1 Experimental results Ann Rep of the CEIDP (Nashville, Tennessee, USA, October 16-19, 2005) 589-592

11 Same 2 Theoretical background and analysis ibid 593-596

12 Shcherbakov Yu V and Sigmond R S 2006 Novel high-resolved experimental results by sub-nanosecond spectral diagnostics of streamer discharges Proc of the 37,h AIAA PDL Conf (San Francisco, USA June 5-8, 2006) ID AIAA-2006-3758

13 Щербаков Ю В 2006 Прецизионные спектральные исследования положительной стримерной короны постоянного тока Электричество No 9 80-7

14 Shcherbakov Yu V, Nekhamkin L I and Domashenko G D 2006 An accurate automatic spectropyrometnc calibrator Proc of 27th Int Congress on High-Speed Photography and Photonics (ICHSPP Xi'an, China, Sep 17-22, 2006) Ю #044 83-4

15 Shcherbakov Yu V 2006 A fully self-consistent parametric 2D model of the filamentary streamer head as applied to spectral diagnostics of streamer discharges Ann. Rep of the CEIDP (Nashville, Tennessee, USA, October 16-19, 2005) 101-104

16 Shcherbakov Yu V and Nekhamkin L I 2006 An analysis of highly synchronized and space-and-time resolved nitrogen FNS and SPS emission temporal waveforms produced by the repetitive DC streamer corona ibid 105-108

17 Shcherbakov Yu V and Sigmond R S 2007 Subnanosecond spectral diagnostics of streamer discharges I Basic experimental results Journal of Physics D Applied Physics 40 460-73

18 Same II Theoretical background ibid 474-87

19 Shcherbakov Yu V 2007 Novel high-resolved spectroscopic studies of positive streamer corona Proceedings of the SPIE 6279 62795U

20 Shcherbakov Yu V and Domashenko G D 2007 A high-speed high-responsive PMT-based detector ibid 6279 IF

Цитированная литература:

1 Wang M С and Kunhardt E E 1990 Streamer dynamics Phys Rev Л 42 No 4 2366-73

2 Kulikovsky A A 1997 The mechanism of positive streamer acceleration and expansion in air m a strong external field J Phys D Appl Phys 30 1515-22

3 Georghiou Q E, Morrow R and Metaxas A C 1999 The theory of short-gap breakdown of needle-plane gaps in air using finite-difference and finite-element methods J Phys D Appl Phys 32 1370-85

4 Ah A W and McLen E A 1985 Electron density and temperature m the photoionized background gas (N) surrounding a laser-produced plasma J Quant Spectrosc Radiat Transfer 23 No4 381-90

5 Pancheshnyi S V, Stankovskaia S M and Stankovsku A Yu 1997 Measurement of the quenching rate constants of the N2(C) and N2+(B) states by the molecules N2, 02 and CO m nanosecond discharge afterglow Plasma Physics Reports 23 664-9

Формат 60x90/16 Усл. печ л 1,0 Тираж 100 экз

Автореферат размножен электронными средствами с оригинал-макета в pdf-формате

1. Введение

1.1. Постановка задачи

1.2. Структура и объем диссертации

1.3. Основное содержание работы

2. Обзор литературы

2.1. Концепция стримера

2.2. Наблюдения электрического тока и излучения стримера

2.3. Современные экспериментальные и теоретические исследования

3. Теоретический фундамент метода диагностики

3.1. Метод спектрально-оптической диагностики стримерных разрядов и его применение

3.1.1. Краткое описание результатов данного подраздела

3.1.1.1. Теоретические аспекты и подэтапы представленной работы

3.1.1.2. Общая схема исследований

3.1.2. Фундаментальные спектроскопические интегралы

3.1.3. Заселенности электронных состояний

3.1.3.1. Уравнения непрерывности для заселенностей электронных состояний и их решение

3.1.3.2. Аналитический вывод квазистационарных решений

3.1.4. Частоты и константы скоростей реакций

3.1.4.1. Набор основных частот и констант скоростей реакций

3.1.4.2. Уравнение Больцмана для электронов

3.1.4.3. Интегралы неупругих столкновений

3.1.4.4. Кинетические коэффициенты и скорости процессов

3.1.4.5. Сечения процессов

3.1.4.6. Метод численного решения

3.1.4.7. Консервативная по потоку конечно-разностная схема

3.1.4.8. Иллюстрация численных расчетов

3.1.5. Полуаналитическая модель динамики стримера

3.1.5.1. Набор уравнений модели

3.1.5.2. Аналитическая одномерная модель для стадии стационарного распространения стримера

3.1.5.3. Одномерный параметрический профиль приведенного электрического поля

3.1.5.4. Аксиально-симметричная полуторамерная (1.5D) параметрическая модель головки стримера

3.1.6. Верификация модели

3.1.6.1. Алгоритм и метод численных расчетов осевых профилей

3.1.6.2. Сравнение с результатами двумерного моделирования

3.1.7. Численные расчеты и анализ временных профилей излучения полос азота

3.1.7.1. Экспрессный анализ профилей излучения и синхронного отношения R\

3.1.7.2. Прямой расчет выходных импульсных сигналов

3.1.7.3. Влияние примеси излучения (2,5)-полосы ВПС к (0,0)-полосе ПОС

3.1.7.4. Использование альтернативного набора частот тушения

3.2. Вращательная структура полос излучения азота

3.2.1. Общие замечания

3.2.2. Единицы измерения и коэффициенты пересчета

3.2.3. Распределение заселепностей по вращательным подуровням

3.2.4. Вращательная структура полос второй положительной системы азота

3.2.5. Вращательная структура полос первой отрицательной системы азота

3.2.6. Щелевая функция

3.3. Теоретический фундамент для импульсов электрического тока

3.3.1. Краткий обзор существующих теорий измерения индуцированных стримером токов

3.3.2. Фундаментальные уравнения

3.3.3. Общая эквивалентная схема

3.3.4. Вывод основных соотношений

3.3.5. Краткие выводы

4. Экспериментальная установка и компоненты

4.1. Общая схема установки. Средства калибровки

4.2. Компоненты

4.2.1. Информационно-измерительная система на основе СРГ

4.2.2. Разрядные камеры

4.2.3. Широкополосные усилители

4.2.4. Скоростные фотоумножители и фотодетекторы

4.3. Перечень общих технических характеристик измерительной системы

5. Экспериментальные исследования и результаты

5.1. Измерения электрического тока

5.1.1. Импульсы электрического тока, измеренные с помощью разрядной камеры типа Мароде

5.1.2. Импульсы электрического тока, измеренные с помощью разрядной камеры типа К.Кондо

5.1.3. Обсуждение

5.2. Спектрально-оптические исследования первичного стримера

5.2.1. Количество одновременно развивающихся в промежутке стримеров

5.2.2. Запуск и синхронизация

5.2.3. Осциллограммы выходных импульсных сигналов излучения полос азота

5.2.4. Вращательная структура полос ВПС и ПОС азота

5.2.5. Расчет спектральной щелевой функции

5.2.6. Учет аберраций

5.2.7. Оценка температуры газа в канале стримера

5.2.8. Отношение синхронных временных профилей интенсивностей полос ВПС и ПОС

5.2.9. Восстановленная пространственная структура излучения вдоль разрядного промежутка

5.2.10. Пространственно-временные характеристики первичного стримера

5.2.11. Эффекты стохастической нестабильности развития стримеров

1.1. Постановка задачи

Название работы: Экспериментальные и теоретические исследования стримерных разрядов методами эмиссионной оптической спектроскопии

Актуальность темы определяется крупной научно-технической проблемой экспериментального и теоретического исследования электрических разрядов в газовых промежутках.

Стримерный разряд (стримерная стадия) является одной из важнейших начальных стадий полного или незавершенного электрического разряда в газах. В воздушных промежутках атмосферной плотности уединенный стример обладает, как правило, характерной нитевидной структурой, умеренной степенью ионизации нейтрального газа в канале в диапазоне 10"6+10"4 относительных единиц, высокими электрическими полями в области головки 400-5-800 Тд и высокими скоростями распространения (2-s-20)xl07 см/с. В резко-неоднородных полях под воздействием высоких импульсных напряжений с коротким фронтом стримерный разряд обычно развивается в виде сильно-разветвленной структуры, состоящей из отдельных нитевидных каналов. Эти свойства можно считать характерными для большого разнообразия электрических разрядов в длинных и коротких промежутках.

Стримерный разряд как одна из начальных стадий определяет характеристики газовой изоляции. Большое применение стримерный разряд находит в различных электроразрядных технологиях: в устройствах для очистки воздуха от оксидов серы и азота и от органических газообразных примесей, а также в устройствах для производства озона. Непрерывно возникают новые приложения стримерных разрядов как покоящейся окружающей среде, так и в движущейся. В последнее десятилетие большой интерес в мире возник к стримерным разрядам в связи с эффектами их воздействия на свойства течения окружающего газа в приложении к проблеме снижения аэродинамического сопротивления летательных аппаратов, снижения акустических шумов и др.

Для повышения качества работы и эпергоэффективиости технологических электроразрядных установок большое значение имеет более правильный выбор режимов горения разряда. Достаточно привести пример из области очистки топочных газов тепловых электростанций. В первых установках энергоэффективиость газоочистки составляла около 700 эВ/мол, тогда как сегодня в лучших пилотных технологических образцах эта цифра снижена до 12-И5 эВ/мол. Если в первом случае для качественной очистки топочных газов до уровня ПДК требовалось затратить энергии больше, чем производила станция целиком, то во втором случае эта цифра составляет 2+3 % от мощности электростанции, что определят успешность метода в практических приложениях.

Все сказанное выше определяет значимость текущих и дальнейших экспериментальных исследований стримерных разрядов в целом.

Большой информативной значимостью обладают спектрально-оптические методы исследований структуры и физических параметров стримерных разрядов. Несмотря на систематические успехи в данной области исследований, полный объем полученных данных о стримерных разрядах еще далек от завершения. Успехи применения спектрально-оптических методов диагностики растут параллельно с углублением общетеоретического осмысления стримерных разрядов, с повышением возможностей численного моделирования с применением персональных компьютеров, с расширением и уточнением базы данных в смежных научных областях, а также с непрерывным совершенствованием средств измерений.

Неслучайно в последнее десятилетие появилось много работ, посвященных спектрально-оптической диагностике стримерных разрядов различных типов. В этих работах получено немало новых данных, а многие ранее известные данные и свойства получены и описаны па новом методическом уровне. При исследовании стримерных разрядов в коротких воздушных промежутках наибольшее развитие получили методы спектрально-оптической диагностики, основанные на измерении эмиссионных спектров полос первой отрицательной (ПОС) и второй положительной (ВПС) систем молекулярного азота. Настоящая работа посвящена дальнейшему развитию этого актуального направления исследований.

Целыо данной работы является исследование физических параметров стримерного разряда в коротких воздушных промежутках спектрально-оптическим методом, основанным на измерении и анализе эмиссионных спектров (0,0)-полос первой отрицательной (ПОС) и второй положительной (ВПС) систем молекулярного азота.

Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Создать экспериментальную установку для спектрально-оптической диагностики с применением высокоскоростных ФЭУ, обеспечивающую высокостабильные характеристики разряда с течением времени и обладающую высокими чувствительностью и пространственно-временным разрешением на уровне 0.2+0.8 не и 0.01+0.1 мм. При сопоставимом пространственном разрешении и светосиле временное разрешение создаваемой установки должно превзойти в 10+20 раз временное разрешение, достигаемое в аналогичных установках. Это позволит впервые провести измерения световых сигналов с адекватным разрешением в отличие от прежних исследований, в которых длительность световых сигналов оказывалась в десятки раз больше, чем следовало из теоретических оценок.

2. Разработать метод спектрально-оптической диагностики стримерных разрядов, основанный на измерении абсолютных и относительных интенсивностей (АОИ) синхронизированных локальных временных профилей (0,0)-полос ПОС и ВПС азота. Методы АОИ, применяемые ранее для анализа световых сигналов, регистрируемых без адекватного пространственно-временного разрешения и синхронизации, не дают детальной информации, а также имеют большие погрешности и неоднозначность при восстановлении физических параметров стримера из результатов измерений световых сигналов. Кроме того, стандартный метод АОИ имеет принципиальный недостаток, обусловленный несовпадением максимумов сигналов различных полос азота, соответствующих различным физическим координатам распространяющихся фронтов.

3. Провести измерения локальных синхронизированных временных профилей излучения полос азота в абсолютных единицах целиком на протяжении разрядного промежутка при развитии положительной периодической стримерной короны постоянного тока (ППСКПТ) в высокостабильном предпробойном режиме ее горения в воздухе атмосферной плотности.

4. По результатам экспериментальных исследований определить двумерную структуру и физические параметры в головке первичного стримера, в первую очередь такие как: приведенное электрическое поле, концентрация электронов и радиус стримера.

Методы исследования:

Для решения поставленных задач использовались аналитические методы, положения теории электрического разряда в газах, численное моделирование с применением персональных компьютеров, методы экспериментальных исследований слабоионизовапной плазмы, техника оптической спектроскопии, методы и техника сверхбыстрых оптических и радиоизмереиий.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые создана и использована экспериментальная установка для спектрально-оптической диагностики с применением высокоскоростных ФЭУ, обеспечивающая высокостабильные характеристики разряда с течением времени и обладающая рекордными чувствительностью и пространственно-временным разрешением па уровне 0.2-ь0.8 пс и 0.01+0.1 мм в режиме регистрации однократных импульсов.

2. Впервые предложен метод синхронного отношения абсолютных временных профилей (0,0)-полос ВПС и ПОС азота, обобщающий традиционные методы АОИ для распространяющихся фронтов с высокими градиентами величин. Особенностью метода является измерение синхронизированных временных профилей излучения полос азота в абсолютных единицах с высоким временным и пространственным разрешением в продольном направлении (1L разрешением) вдоль оси разрядного промежутка. Данный диагностический метод, позволяющий восстановить прямым методом подгонки двумерную структуру головки стримера без проведения измерений с пространственным разрешением в радиальном направлении, основан на двух взаимосвязанных положениях, предложенных и реализованных впервые:

2.1. Полуаналитическая полуторамерная (1.5D) параметрическая гидродинамическая модель головки стримера в стадии стационарного распространения стримера в средней части промежутка, составляющая теоретическую основу метода диагностики в части описания свойств плазмы разряда. В рамках модели разработай соответствующий эффективный численный алгоритм для расчета пробных профилей излучения и физических параметров в головке стримера, позволяющий реализовать процедуру подгонки пробных теоретических профилей, рассчитанных прямым методом, к экспериментальным профилям.

2.2. Полная спектроскопическая методика регистрации и расчета эмиссионного излучения (0,0)-полос ВПС и ПОС распространяющихся стримериых разрядов, учитывающая характеристики всех компонент спектрально-оптического измерительного канала, включая пространственно-временное разрешение и разрешение по длинам волн.

3. Впервые проведены измерения синхронизированных абсолютных временных профилей (0,0)-полос ПОС и ВПС азота в первичном стримере ППСКПТ при атмосферной плотиости, выполненные с адекватными синхронностью, пространственно-временным и спектральным разрешением в многофотонном режиме работы ФЭУ.

4. По результатам экспериментальных исследований впервые выполнена полная реконструкция двумерной структуры и определены физические параметры в головке первичного стримера, такие как: приведенное электрическое поле, концентрация электронов и его радиус.

Практическая значимость:

1. Созданная экспериментальная установка и метод диагностики могут использоваться как основа для дальнейших аналогичных исследований, обеспечивающих более высокий уровень достоверности результатов, чем ранее, применительно к более широкому классу электрических разрядов.

2. Практически реализовано и показано, что исследовательские установки для спектрально-оптической диагностики стримерных разрядов в воздухе атмосферной плотности классическим щелевым методом с пространственным разрешением в продольном направлении могут быть созданы на основе ФЭУ в многофотонном режиме, которые обеспечивают полностью адекватное пространственно-временное разрешение. Преимущество использования ФЭУ в многофотонном режиме по классической схеме перед другими способами состоит, прежде всего, в наивысшей достоверности при измерении формы импульсного сигнала, а также в наличии хорошо разработанного метрологического обеспечения для абсолютных измерений.

3. Экспериментальные результаты, полученпые с адекватным пространственно-временным разрешением почти во всех точках разрядного промежутка, устанавливают, что длительности спектрально-оптических сигналов в полосах ПОС и ВПС азота составляют от долей до единиц наносекунд, что в 10-^20 раз короче, чем обычно фигурирует в научной литературе. Такие короткие длительности оптических сигналов даже без детального анализа показывают, что характерные геометрические размеры головки стримера составляют доли миллиметра.

4. Полученные результаты по измерению электрических полей и концентраций электронов в головке стримера подтверждают основные положения теории стримерного разряда в коротких воздушных промежутках.

5. Полный набор других экспериментальных результатов, включая измерения в приэлектродных областях, анализ которых в данной диссертационной работе был выполнен только качественно, могут служить опорными данными для верификации теорий стримерного разряда, в том числе основанных па моделях, учитывающих нелокальные и существенно нестационарные процессы в сильных электрических полях.

Положения, выносимые на защиту:

1. Параметры экспериментальной установки для спектрально-оптической диагностики на основе высокоскоростных ФЭУ, обеспечивающей рекордное пространственно-временное разрешение на уровне 0.2+0.8 не и 0.01+0.1 мм при адекватной светосиле в многофотонном режиме работы ФЭУ как при регистрации однократных импульсов, так и с накоплением.

2. Метод синхронного отношения абсолютных временных профилей (0,0)-полос ВПС и ПОС молекулярного азота, обобщающий традиционные методы АОИ и включающий две составные части:

2.1. Полуторамерная (1.5D) параметрическая гидродинамическая модель головки стримера в стадии стационарного распространения в средней части промежутка, а также соответствующий численный алгоритм для расчета пробных профилей излучения и физических параметров в головке стримера.

2.2. Полная спектроскопическая методика регистрации и расчета эмиссионного излучения (0,0)-полос ВПС и ПОС в абсолютных единицах.

3. Результаты измерений синхронизированных абсолютных временных профилей (0,0)-полос ПОС и ВПС азота в первичном стримере ППСКПТ при атмосферной плотности, выполненные при адекватной синхронности и пространственно-временном разрешении в многофотонном режиме работы ФЭУ.

4. Результаты экспериментальных исследований в части двумерной структуры и физических параметров в головке первичного стримера, такие как: приведенное электрическое поле, концентрация электронов и радиус стримера.

Личный вклад соискателя:

Из 20 работ, опубликованных по теме диссертации, 14 выполнены с соавторами и 6 без соавторов. Главная содержательная часть диссертационной работы, отраженная в указанных публикациях, выполнена в рамках самостоятельного подразделения 28.3 ВНИЦ ВЭИ (руководитель Ю.В.Щербаков) при выполнении конкурсного проекта МНТЦ№1123 (руководитель Ю.В.Щербаков). Все публикации и диссертация подготовлены на основе Заключительного отчета МНТЦ, а также материалов в стадии подготовки предложения по проекту и его выполнения. Целиком совпадающие цели и задачи настоящей диссертационной работы и проекта № 1123 были поставлены соискателем самостоятельно. Выполнение работы в целом осуществлялось под руководством соискателя.

Соискатель проводил исследования, готовил данные и тексты, формулировал выводы для статей [17,18] и докладов [2,3,5-7,9-12,14,16,20], опубликованных с соавторами. Примерный вклад и объем работ отражены в полном дополнительном списке опубликованных научных работ соискателя (всего 59 работ), посвященных исследованию электрических разрядов в коротких и длинных воздушных промежутках. Статьи и доклады [1,4,8,13,15,19] подготовлены и опубликованы соискателем самостоятельно без соавторов. Личный вклад соискателя в работы, опубликованные с соавторами, состоит в постановке и решении проблем, в планировании и разработке экспериментальных методик измерения и теоретических методов анализа полученных результатов, в проведении измерений и обработке экспериментальных результатов, в выполнении расчетов по существующим теориям, формулировке выводов, а также представлении докладов на конференциях. Соискатель полиостью подготовил диссертацию, положения, которые выносятся на защиту и выводы. Таким образом, личный вклад автора диссертации в диссертационную работу и получение научных результатов, которые выносятся па защиту, является определяющим.

Апробация работы:

Основные положения работы докладывались и обсуждались на:

• международной конференции по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям - (CEIDP, Austin, Texas, USA: October 17-20,1999);

• Всероссийском электротех. конгрессе (М.: июнь/июль 28-03,1999);

• 8м международном симпозиуме «Электротехника 2010» (М.: май 23-27,2005);

• двадцать седьмом Международном конгрессе по высокоскоростной фотографии и фотонике- (ICHSPP: Xi'an, China, Sep 17-22, 2006);

• на научно-техническом совете ГУП ВЭИ имени В.ИЛенина «Высоковольтная импульсная и преобразовательная техника»;

• на семинаре научного центра "Физики неравновесных систем" МФТИ.

Публикации:

По основному содержанию и результатам опубликовано 20 печатных научных работ, из них: 2 тезиса докладов на международных конференциях, 14 докладов на международных конференциях, одна печатная работа в ВИНИТИ и 3 статьи в рецензируемых журналах (1 - в российском, 2 - в зарубежном).

1. Щербаков 10 В 1997 Физические параметры стримерных разрядов в воздухе Деп. в

ВИНИТИ№3237-В97 от 31 октября 1997 г. 45 с.

2. Shcherbakov Yu V, Lupeiko А V, Zyuzin L N and Rybak V V 1998 The informationalmeasuring system of nanosecond (sub-nanosecond) pulse signals Proceedings of the 29th Plasmadynamics and Lasers Conference of the American Institute of Aeronautics and Astronautics (29"' AlAA PDL-5 Conf) (Albuquerque, June 15-18, 1998) ID: 982659

3. Bortnik I M and Shcherbakov Yu V 1999 The eventual role of the streamer-cathode interaction in applying to the electrotechnology Proceedings of the All-Russian Electrotechnical Congress (ВЭЛК99, WELC99) (Moscow, June/July 28-03, 1999) 1 237-8, ID.-4-46

4. Shcherbakov Yu V 1999 Spectroscopic study of the filamentary streamer discharges. 1.

Analysis of two-dimensional structure of the streamer head Proceedings of the XXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG) (Warsaw, July 1116,1999) ID: P-214 2 167-8

5. Bortnik IM, Shcherbakov Yu V and Zyuzin L N 1999 Spectroscopic study of the filamentary streamer discharges. 2. Experimental ibid. ID: P-213 2 165-6

6. Bortnik I M, Shcherbakov Yu V and Zyuzin L N 1999 Spectroscopic study of positive streamer in short air gap Proceedings of the XI International Symposium on High-Voltage Engineering (ISH99), (London, August 23-27, 1999) (Conf. Publ. No. 467) 3 23-26

7. Shcherbakov Yu V, Shilova A V and Syssoev V S 1999 The near-surface evolution of streamer discharges Annual Report of the Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP) (Austin, Texas, USA: October 17-20, 1999) 2 662-5

8. Shcherbakov Yu V 2001 Actual probe currents in streamer diagnostics Proceedings of the

XXV International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG) (Nagoya, Japan, July 17-22, 2001) 4 81-2

9. Shcherbakov Yu V and Nekhamkin L I 2005 An emission spectroscopy method applied to accurate diagnostics of initial stages of the gas discharges Proceedings of the VIII Symposium "Electrical Engineering 2010" (Moscow, Russia: May 23-27, 2005) ID:7.12

10. Shcherbakov Yu V and Nekhamkin L I 2005 Accurate spectroscopic studies of streamer discharges. 1. Experimental results Annual Report of the Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP) (Nashville, Tennessee, USA, October 1619, 2005) 589-592

11. Shcherbakov Yu V and Nekhamkin L I 2005 Accurate spectroscopic studies of streamer discharges. 2. Theoretical background and analysis Annual Report of the Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP) (Nashville, Tennessee, USA, October 16-19, 2005)) 593-596

12. Shcherbakov Yu V and Sigmond R S 2006 Novel high-resolved experimental results by subnanosecond spectral diagnostics of streamer discharges Proceedings of the 37th Plasmadynamics and Lasers Conference of the American Institute of Aeronautics and Astronautics {37th A1AA PDL Conf) (San Francisco, USA: June 5-8, 2006) ID: AIAA-2006-3758

13. Щербаков Ю В 2006 Прецизионные спектральные исследования положительной стримерной короны постоянного тока Электричество No 9 80-7

14. Shcherbakov Yu V, Nekhamkin L I and Domashenko G D 2006 An accurate automatic spectropyrometric calibrator Proceedings of the 27th International Congress on HighSpeed Photography and Photonics (1CHSPP: Xi'an, China, Sep 17-22, 2006) Abstract ID #044 83-4

15. Shcherbakov Yu V 2006 A fully self-consistent parametric 2D model of the filamentary streamer head as applied to spectral diagnostics of streamer discharges Annual Report of the Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP) (Nashville, Tennessee, USA, October 16-19, 2005) 101-104

16. Shcherbakov Yu V and Nekhamkin LI 2006 An analysis of highly synchronized and spaceand-time resolved nitrogen FNS and SPS emission temporal waveforms produced by the repetitive DC streamer corona Annual Report of the Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP) (Nashville, Tennessee, USA, October 16-19, 2005) 105-108

17. Shcherbakov Yu V and Sigmond R S 2007 Subnanosecond spectral diagnostics of streamer discharges. I: Basic experimental results Journal of Physics D: Applied Physics 40 46073

18. Shcherbakov Yu V and Sigmond R S 2007 Subnanosecond spectral diagnostics of streamer discharges. II: Theoretical background Journal of Physics D: Applied Physics 40 474-87

19. Shcherbakov Yu V 2007 Novel high-resolved spectroscopic studies of positive streamer corona Proceedings of the SPIE 6279 62795U

20. Shcherbakov Yu V and Domashenko G D 2007 A high-speed high-responsive PMT-based detector Proceedings of the SPIE 6279 62791F

6. Заключение

6.1. Краткий анализ и сводка результатов

В работе представлены полученные с высоким пространственно-временным разрешением результаты взаимно-коррелированных спектрально-оптических и электродинамических исследований положительной стримерной короны постоянного тока в коротком воздушном промежутке в высокостабильном предпробойном режиме ее горения. Особое внимание было уделено измерению абсолютных интенсивностей второй положительной (ВПС) и первой отрицательной (ПОС) систем молекулярного азота, а также дальнейшему повышению пространственно-временного разрешения наряду с высокой синхронизацией и стабильностью.

1. Прецизионные синхронные измерения электрического тока, вытекающего из анодного острия в разрядный промежуток и далее втекающего в тело катода целиком и/или в сравнительной маленький катодный датчик, расположенный по оси катода, показали, что только уединенный нитевидный стример распространяется вдоль разрядного промежутка в течение каждого стримерного импульса в высокостабилыюм режиме их следования. Этот факт гарантирует надежность и достоверность измерений абсолютных временных профилей (0,0)-полос ВПС и ПОС азота как режиме регистрации однократных импульсов, так и в режиме их накопления и усреднения.

2. Методически, спектрально-оптические измерения были разделены на две категории. Во-первых, для верификации адекватности инструментального разрешения были зарегистрированы истинные временные профили (0,0)-полос ВПС и ПОС вблизи поверхности катода в режиме регистрации однократных импульсов с помощью измерительной системы на основе аналого-цифрового регистратора СРГ7, используя, тем самым, многофотонный режим работы ФЭУ. Было обнаружено, что вблизи катода временные профили являются наиболее крутыми и короткими в сравнении с профилями, полученными в других точках разрядного промежутка.

В прикатодной области эмиссионные временные профили полос ПОС и ВПС в стадии развития первичного стримера были зарегистрированы при взаимно-коррелированной синхронизации не хуже 0.1 не, а также при пространственно-временном разрешении около 0.01-0.1 мм вдоль оси стримера и 0.2-0.4 не в многофотонном режиме работы ФЭУ и режиме регистрации однократных сигналов измерительной системы. Наиболее короткое время нарастания соответствующих выходных импульсов напряжения составило около 0.3-0.4 ис для (0,0)-полосы ВПС и 0.2-0.3 не для (0,0)-полосы ПОС; а ширина на полувысоте (ШПВ) около 1.4-1.5 не и 0.5-0.6 не, соответственно.

Исходя из вышесказанного можно заключить, что ШПВ временных профилей ВПС является действительно полностью достоверной вследствие значительно более высокого временного разрешения измерительной системы в сравнении с ШПВ зарегистрированных временных профилей, а именно при ШПВ отклика ФЭУ на £импульс около 0.3+0.4 не против 1.5 не для профиля ВПС. Это показывает, что минимальная ШПВ временных профилей (0,0)-полосы ВПС не может быть меньше, чем 1.4-1.5 не. В других точках ее величина может быть только больше.

В то же время, минимальная ШПВ временных профилей (0,0)-полосы ПОС близка к полному пространственно-временному разрешению измерительной системы. В экспериментах наблюдались длительности (ШПВ) сигналов, статистически распределенные между 0.5 и 0.6 нс. Природа стохастических флуктуаций в пределах 0.1+0.2 не может быть связана с фактическими флуктуациями свойств стримера от импульса к импульсу, а также с разбросом отклика ФЭУ вблизи границы временного разрешения. Тем не менее, можно утверждать, что такая ШПВ временных профилей (0,0)-полосы ПОС вполне разрешена во времени и соответствует фактической минимальной величине. Эти временные профили могут служить опорными данными для верификации теорий стримерного разряда в прикатодной области, в том числе основанных на моделях, учитывающих нелокальные и существенно нестационарные процессы в сильных электрических полях.

Данные временные профили могут быть также для верификации прецизионных результатов, полученных в подобных условиях Икутой и Кондо с использованием однофотонной техники счета на основе времени-амплитудиых конверторов при экстремально высоком пространственно-временном разрешении [25]. С общей точки зрения в их исследованиях получен парадоксальный результат, а именно ШПВ сигналов ПОС, составившая около 1.6+1.8 не, оказалась больше, чем ШПВ сигналов ВПС, составившая около 0.8+0.9 не, тогда как в наших экспериментах эти ШПВ равны 0.4+0.6 не и 1.4+1.5 не, соответственно. С общей точки зрения, импульсные сигналы в полосах ПОС азота должны быть острее и уже, чем в полосах ВПС, вследствие большей частоты тушения этих состояний. Способ регистрации, основанный на использовании времени-амплитудных конверторов для исследования сильно-стохастичных процессов в режиме накопления в течение нескольких сотен тысяч или миллионов однократных стримерных импульсов, видимо, приводит к некоторым трудно выявляемым погрешностям. Следует также отметить, что новая техническая реализация подобного способа измерений в работах по исследованию барьерного разряда [52,53] в промежутках около 1 мм дала адекватное соотношение полуширин сигналов ВПС и ПОС.

3. В стадии стационарного распространения стримера, то есть в средней части разрядного промежутка в пределах от 6.5 до 1 мм от катода, было обнаружено, что ШПВ сигналов в обеих полосах существенно больше, а их амплитуды существенно меньше, чем вблизи катода. Апеллируя к измерениям в режиме однократных импульсов с наивысшим разрешением вблизи катода, детальные исследования пространственно-временной структуры излучения обеих полос было проведено в режиме накопления и усреднения измерительной системы на основе осциллографа Tektronix3052. Сверхскоростной ФЭУ средней чувствительности (7о5=0.4 не, =103 А/Вт) #02546 был заменен на высокочувствительный ФЭУ умеренного быстродействия (~105А/Вт, 7о5=0.8 пс) #02615. Временное разрешение высокочувствительного ФЭУ было вполне адекватным в данном пространственном домене для регистрации временных профилей ВПС и немного недостаточным для профилей ПОС. С другой стороны, такая небольшая нехватка временного разрешения становится совсем несущественна на расстояниях от катода больших, чем 3-4 мм, где стохастический разброс следования временных профилей от импульса к импульсу становится больше временного разрешения.

Такой комбинированный способ измерений позволил зарегистрировать излучение обеих полос на протяжении всего разрядного промежутка с почти адекватным пространственным разрешением и с приемлемыми экспериментальными ошибками. Несмотря на то что имеются также и другие усредняющие и сглаживающие факторы (хроматические аберрации, длина расфокусировки, неравномерное освещение входной щели монохроматора и др.), высокая степень синхронизации взаимно-коррелированных временных профилей существенно уменьшает множество неопределенностей, так как усредняющие факторы можно корректно учесть с помощью теоретических расчетов и экспериментальных калибровок.

4. Также были определены вспомогательные параметры в канале стримера. С помощью вращательного спектра (0,0)-полосы ВПС, полученного при среднем разрешении по длинам волн, определена температура газа. Полученная температура Tg =450+40 К согласуется с температурой Tg =450+20 К, измеренной Хартманном [32] почти при тех же условиях в разрядном промежутке и в том же самом режиме горения положительной периодической стримерной короны постоянного тока.

5. Было найдено, что для принятой специальной конфигурации электродов и точечного анода скорость распространения первичного стримера на протяжении основной части разрядного промежутка почти постоянна и составляет около 3-107см/с. В этом специальном режиме можно успешно применять квазистационарную модель развития первичного стримера.

6. Учитывая все характеристики спектрально-оптического канала, все условия в разрядном промежутке и параметры калибровок, детально описанные в данной работе, можно рассчитать различные оптические и электродинамические характеристики первичного стримера, которые, в свою очередь, можно использовать для верификации теории стримера.

7. Прежде всего, полученные в работе экспериментальные результаты предназначены для определения электрического поля и концентрации электронов. Несмотря на то что синхронизированные временные профили излучения полос азота получены без пространственно разрешения в радиальном направлении (OR), а только с разрешением в продольном направлении (1L), они характеризуются высокой способностью для реконструкции объемной концентрации электронов. Так как фактические выходные временные профили световых сигналов полос обеих систем ПОС и ВПС излучения азота представляют собой сложную свертку многих параметров собственно стримера и инструментальных средств, то прецизионные взаимно-коррелированные измерения с lL-пространственным разрешением могут оказаться значительно более полезными для выявления 20-структуры стримера, чем измерения с lLxlR-пространственным разрешением при неадекватных временном разрешении, синхронизации и стохастическом разбросе. Упрощенная самосогласованная 1.50-модель головки стримера, разработанная в данной работе, предназначена именно для реконструкции 20-структуры электрического поля и концентрации электронов в головке стримера.

8. В данной работе разработан полностью самосогласованный метод диагностики стримерно-разрядной плазмы, основанный на анализе абсолютных интенсивностей второй положительной (ВПС) и первой отрицательной (ПОС) систем молекулярного азота. Теория метода объединяет спектроскопическую методику расчета временных профилей абсолютных интенсивностей (0,0)-полос ВПС и ПОС, а также самосогласованную полуаналитическую параметрическую аксиально-симметричную полуторамерную (1.5D) модель головки нитевидного стримера.

Спектроскопическая методика учитывает характеристики всех компонент спектрально-оптического измерительного канала, включая пространственно-временное разрешение и разрешение по длинам волн. Также учитываются: хроматическая аберрация фокусирующей осветительной линзы, погрешности в настройке изображения объекта на входную щель, а также коррекция щелевой функции при неравномерном освещении вдоль ширины входной щели монохроматора.

Модель головки стримера характеризуется некоторым пробным согласованным допустимым осевым параметрическим профилем электрического поля в совокупности с профилями концентраций электронов и пространственного заряда, полностью согласованных друг с другом и с пробным электрическим полем. Дополнительно конструируется соответствующая двумерная (2D) конфигурация для поля и для концентрации электронов через специальные эллипсоподобные геодезические линии. Абсолютные величины и синхронное отношение временных профилей (0,0)-полос ВПС и ПОС, разрешенных во времени и в продольном направлении пространственно (1L-разрешение), отношение их амплитуд и полная мощность излучения обоих профилей были использованы для реконструкции 2D структуры головки стримера.

9. С помощью процедуры подгонки непосредственно рассчитываемых профилей выходных импульсных сигналов к экспериментальным, описанным в главе 5, было найдено, что приведенное электрическое поле и концентрация электронов в головке стримера в средней части промежутка составляют 430-500 Тд и (2-3)х1014 см-3, соответственно, причем 500 Тд для набора частот тушения в форме Али [22], а 430 Тд - в форме Панчешпого [30]. А соответствующее абсолютное электрическое поле, таким образом, составило 70-80 кВ/см при начальной температуре газа в канале периодического стримера около 450 К (см. выше). Кроме того, были выявлены радиальные параметры 2D-структуры головки стримера, которые составили: радиус электронной плотности канала стримера в Гауссовой форме - около г„=0.1 мм, радиальная полуось проекции линии хребта электрического поля на плоскость - около ^=0.4 мм.

10. Полученные результаты по измерению электрических полей и концентраций электронов в головке стримера подтверждают основные положения теории стримерного разряда в коротких воздушных промежутках.

6.2. Главные итоги и новизна полученных результатов

1. Впервые создана и использована экспериментальная установка для спектрально-оптической диагностики с применением высокоскоростных ФЭУ, обеспечивающая высокостабильные характеристики разряда с течением времени и обладающая рекордными чувствительностью и пространственно-временным разрешением на уровне 0.2+0.8 не и 0.01+0.1 мм в режиме регистрации однократных импульсов.

2. Впервые предложен метод синхронного отношения абсолютных временных профилей (0,0)-полос ВПС и ПОС азота, обобщающий традиционные методы АОИ для распространяющихся фронтов с высокими градиентами величин. Особенностью метода является измерение синхронизированных временных профилей излучения полос азота в абсолютных единицах с высоким временным и пространственным разрешением в продольном направлении (1L разрешением) вдоль оси разрядного промежутка. Данный диагностический метод, позволяющий восстановить прямым методом подгонки двумерную структуру головки стримера без проведения измерений с пространственным разрешением в радиальном направлении, основан на двух взаимосвязанных положениях, предложенных и реализованных впервые:

2.1. Полуаналитическая полуторамерпая (1.5D) параметрическая гидродинамическая модель головки стримера в стадии стационарного распространения стримера в средней части промежутка, составляющая теоретическую основу метода диагностики в части описания свойств плазмы разряда. В рамках модели разработан соответствующий эффективный численный алгоритм для расчета пробных профилей излучения и физических параметров в головке стримера, позволяющий реализовать процедуру подгонки пробных теоретических профилей, рассчитанных прямым методом, к экспериментальным профилям.

2.2. Полная спектроскопическая методика регистрации и расчета эмиссионного излучения (0,0)-полос ВПС и ПОС распространяющихся стримерных разрядов, учитывающая характеристики всех компонент спектрально-оптического измерительного канала, включая пространственно-временное разрешение и разрешение по длинам волн.

3. Впервые проведены измерения синхронизированных абсолютных временных профилей (0,0)-полос ПОС и ВПС азота в первичном стримере ППСКПТ при атмосферной плотности, выполненные с адекватными синхронностью, пространственно-временным и спектральным разрешением в многофотонном режиме работы ФЭУ.

4. По результатам экспериментальных исследований впервые выполнена полная реконструкция двумерной структуры и определены физические параметры в головке первичного стримера, такие как: приведенное электрическое поле, концентрация электронов и его радиус.

1. Flegler Е and Raether Н 1935 Z. Tech. Phys. 16 435

2. Flegler E and Raether H 1936 Z. Phys. 99 635

3. Flegler E and Raether H 1936 Z. Phys. 103 315

4. Loeb L В and Leigh W 1937 Phys. Rev. 51 149A

5. Loeb L В 1939 Fundamental processes of electrical discharges in gases (Whiley, New York)p426

6. Meek J M 1940 Phys. Rev 57 722

7. Townsend J S 1910 The theory of ionization of gases by collision (Constable, London)

8. Ward A L 1958 Phys. Rev. Ill 671

9. Ward A L 1961 in Proceedings of the 5th international conference on phenomena in ionizedgases (Munchen, North-Holland, Amsterdam 1962) 1595

10. Ward A L 1962 J. Appl. Phys. 33 2789

11. Ward A L 1965 Phys. Rev. 138A 2046

12. Davies A J, Davies С S and Evans С J 1971 Proc. IEE118 816

13. Kline L E 1974 J. Appl. Phys. 45 2046

14. G W Trichel 1938 Phys. Rev. 54 1078

15. G W Trichel 1939 Phys. Rev. 55 382

16. Kip A F 1939 Phys. Rev. 55 549

17. Loeb L В and Meek J M Mechanism of the electric spark (Stanford, California: Stanford1. University Press, 1941).

18. English W N 1948 Phys. Rev. 74 170

19. English W N 1950 Phys. Rev. 77 850

20. Bandel H W 1951 Phys. Rev. 84 92

21. Raether H 1949 Ergeb. exakt. Naturw. 22 73

22. Amin M R 1954 Fast time analysis of intermittent point-to-plane corona in air. II. Thepositive preonset streamer corona J. Appl. Phys. 25 358-63

23. Anderson N E 1958 An investigation of the positive point streamer corona. Part I Arkiv for1. Fysik. 13 399-42224. Same. Part II ibid 441-79

24. Hudson G G and Loeb L В 1961 Streamer mechanism and main stroke in the filamentaryspark breakdown in air as revealed by Photomultipliers and fast oscilloscopic techniques Phys. Rev. 123 29-4226. same ibid 43-50

25. Gallimberti I., Hepworth J К and Klewe R S 1974 Spectroscopic investigation of impulsecorona discharges J. Phys. D: Appl. Phys. 7 880-98

26. Les Renardieres Group. Research on long air gap discharges at les Renardieres 1972 Electra23 53-157

27. Les Renardieres Group. Research on long air gap discharges at les Renardieres. 1973 results.1974 Electra 35 49-156

28. Positive discharges in long air gaps at Les Renardieres. 1975 results and conclusions. 19771. Electra 53 31-153

29. Negative discharges in long air gaps at Les Renardieres. 1978 results. 1981 Electra 74 67216

30. Ikuta N, Ushita T and Yshiguro Y 1970 Positive streamer corona and its propagationmechanism JIEE of Japan 90 52-60 (in Japan)

31. Ikuta N and Kondo К 1976 A spectroscopic study of positive and negative coronas in N2 O2mixture Proc. 4,h ICGD (Swansea, 1976) 227-30

32. Hartmann G Acad. Sci., Paris. B270 p309-12

33. Sigmond R S 1984 The residual streamer channel: Return strokes and secondary streamers J.1. Appl. Phys. 56 №5 1355-70

34. Bertault P, DupuyJ, Gibert A et al 1978 Proc. 5th ICGD (Liverpool, 1978) 332-5

35. Kondo К and Ikuta N 1980 Highly resolved observation of the primary wave emission inatmospheric positive streamer corona J. Phys. D: Appl. Phys. 13 L33-8

36. Kondo К and Ikuta N 1980 The structure of the positive streamer corona and its propagationmechanism Proc. 6th ICGD, Edinburgh 118-21

37. Kondo К and Ikuta N 1990 Spatio-temporal gas temperature rise in repetitive positivestreamer corona in air Journ. of the Phys. Soc. of Japan. 59 No9 3203-16

38. Hartmann G and Gallimberti I 1975 The influence of metastable molecules on the streamerprogressions J. Phys. D: Appl. Phys. 8 670-80

39. Marode E 1975 The mechanism of spark breakdown in air at atmospheric pressure between apositive point and a plane. 1. Experimental: Nature of the streamer track J. Appl. Phys. 46 No5 2005-15

40. Johnson P C, Berger G and Goldman 1977 The temporal behaviour of emission from excitedmetal atoms in the cathode region of a pulsed discharge in air J. Phys. D: Appl. Phys. 10 2245-56

41. Hartmann G and Johnson P С 1978 Measurements of relative transition probabilities and thevariation of the electronic transition moment for nitrogen second positive system J. Phys. B: Atom. Molec. Phys. 11 1597-612

42. Czernichowski A 1987 Temperature evaluation from the partially resolved 391 nm N2+ band

43. J. Phys. D: Appl. Phys. 20 559-64

44. Gravendeel B, Hoog F.J and Schoenmakers MAM 1988 Fast photon counting in negativecorona discharges in the Trichel regime J. Phys. D: Appl. Phys. 21 744-55

45. Spyrou N, Held B, Peyrous R, Manassis Ch and Pignolet P 1990 Gas temperature in asecondary streamer discharge: an approach to the electric wind J. Phys. D: Appl. Phys. 25 211-6

46. Chelouah A, Marode E and Hartmann G 1994 Measurement of rotational and vibrationaltemperatures in low-pressure plasma device using the Abel transform and spectral slit function J. Phys. D: Appl. Phys. 27 770-80

47. Chelouah A, Marode E, Hartmann G and Achat S 1994 A new method for temperatureevaluation in a nitrogen discharge J. Phys. D: Appl. Phys. 27 940-5

48. Pancheshnyi S V, Sobakin S V, Starikovskaia S M and Starikovskii A Yu 1999 Dynamics ofthe population of the electronic states of molecular nitrogen and the structure of a fast ionization wave Plasma Phys. Rep. 25 326

49. Pancheshnyi S V, Sobakin S V, Starikovskaia S M and Starikovskii A Yu 2000 Dischargedynamics and the production of active particles in a cathode-directed streamer Plasma Physics Reports 26 1054

50. Pancheshnyi S V, Starikovskaia S M and Starikovskii A Yu 1999 Population of nitrogenmolecule electron states and structure of the fast ionization wave J. Phys. D: Appl. Phys. 32 2219-27

51. Kozlov К V and Wagner H-E, Brandenburg R, Michel P 2001 Spatio-temporally resolvedspectroscopic diagnostics of the barrier discharge in air at atmospheric pressure J. Phys. D: Appl. Phys. 34 3164-76

52. Brandenburg R and Kozlov К V, Wagner H-E, Morozov A M 2005 Axial and radialdevelopment of microdischarges of barrier discharges in N2/02 mixtures at atmospheric pressure J. Phys. D: Appl Phys. 38 1649-57

53. Brandenburg R and Kozlov К V, Wagner H-E, Morozov A M, Michel P 2005 Investigationof the filamentary and diffuse mode of barrier discharges in N2/02 mixtures at atmospheric pressure by cross-correlation spectroscopy J. Phys. D: Appl. Phys. 38 518-29

54. Paris P and Aints M, Valk F, Plank T, Haljaste A, Kozlov К V, Wagner H-E 2005 Intensityratio of spectral bands of nitrogen as a measure of electric field strength in plasmas J. Phys. D: Appl. Phys. 38 3894-9

55. Pancheshnyi S, Nudnova M and Starikovskii A 2005 Development of a cathode-directedstreamer discharge in air at different pressures: experiment and comparison with direct numerical simulation Phys. Rev. Ell 016407

56. Wang M С and Kunhardt E.E 1990 Streamer dynamics Phys. Rev. A 42 No 4 2366-73

57. Kulikovsky A A 1997 The mechanism of positive streamer acceleration and expansion in airin a strong external field J. Phys. D: Appl. Phys. 33 1515-22

58. Georghiou G E, Morrow R and Metaxas А С 1999 The theory of short-gap breakdown ofneedle-plane gaps in air using finite-difference and finite-element methods J. Phys. D: Appl. Phys. 32 1370-85

59. Georghiou G E, Papadakis A P, Morrow R and Metaxas А С 2005 Numerical modelling ofatmospheric pressure gas discharges leading to plasma production J. Phys. D: Appl. Phys. 38 R303-R328

60. Pancheshnyi S V and Starikovskii A Yu 2003 Two-dimensional numerical modelling of thecathode-directed streamer development in a long gap at high voltage J. Phys. D: Appl. Phys. 36 2683-91

61. Naidis G V 2005 Dynamics of streamer breakdown of short non-uniform air gaps J. Phys. D:1. Appl. Phys. 38 3889-93

62. Yurgelenas Yu V and Wagner H-E 2006 A computational model of a barrier discharge in airat atmospheric pressure: the role of residual surface charges in microdischarge formation J. Phys. D: Appl. Phys. 39 4031-43

63. Brandenburg R and Wagner H-E, Wagenaars E, Brok W J M, Bowden M D 2005

64. Experimental and modelling investigations of a dielectric barrier discharge in low-pressure argon J. Phys. D: Appl. Phys. 39 700-11

65. Navratil Z, Brandenburg R, Trunec D, Brablec A, Stahel P, Wagner H-E, Kopecky Z 2006

66. Comparative study of diffuse barrier discharges in neon and helium Plasma Sources Sci. Technol. 15 8-17

67. Pancheshnyi S V, Starikovskaia S M and Starikovskii A Yu 1997 Measurement of thequenching rate constants of the N2(C) and N2+(B) states by the molecules N2,02 and CO in nanosecond discharge afterglow Plasma Physics Reports 23 664-9

68. Ali A W, McLen E A 1985 Electron density and temperature in the photoionized background gas (N) surrounding a laser-produced plasma J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 23 No4 381-90

69. Creyghton Y L M 1994 Pulsed positive corona discharge Ph.D. Thesis (Eindhoven) p. 228

70. Щербаков Ю В 1997 Физические параметры стримерных разрядов в воздухе Деп. в ВИНИТИ М3237-В97 от 31 октября 1997 г. 45 с.

71. Bortnik I M and Shcherbakov Yu V 1999 The eventual role of the streamer-cathode interaction in applying to the electrotechnology Proceedings of the All-Russian Electrotechnical Congress (.ВЭЛК99, WELC99) (Moscow, June/July 28-03, 1999) 1 237-8, ID:4-46

72. Bortnik IM, Shcherbakov Yu V and Zyuzin L N 1999 Spectroscopic study of the filamentary streamer discharges. 2. Experimental ibid. ID: P-213 2 165-6

73. Bortnik I M, Shcherbakov Yu V and Zyuzin L N 1999 Spectroscopic study of positive streamer in short air gap Proceedings of the XI International Symposium on High-Voltage Engineering (ISH99), (London, August 23-27,1999) (Conf. Publ. No. 467) 3 23-26

74. Shcherbakov Yu V and Shilova A V 1999 A more correct model for the primary-and-secondary streamer phenomena in short air gap Bulletin of the 52nd Annual Gaseous Electronics Conference (GEQ, (Norfolk, October 5-8,1999) ID: ETP5.56

75. Shcherbakov Yu V, Shilova A V and Syssoev V S 1999 The near-surface evolution of streamer discharges Annual Report of the Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CE1DP) (Austin, Texas, USA: October 17-20, 1999) 2 662-5

76. Shcherbakov Yu V 2001 Actual probe currents in streamer diagnostics Proceedings of the XXV International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG) (Nagoya, Japan, July 17-22, 2001)4 81-2

77. Shcherbakov Yu V, Sukharevskij D I and Syssoev V S 2003 Some novel applications of a Masuda-type device to streamer-induced technologies Proceedings of the VII Symposium "Electrical Engineering" (Moscow, Russia: May 26-30, 2003)

78. Shcherbakov Yu V and Nekhamkin L I 2005 An emission spectroscopy method applied to accurate diagnostics of initial stages of the gas discharges Proceedings of the VIII Symposium "Electrical Engineering 2010" (Moscow, Russia: May 23-27, 2005) ID:7.12

79. Щербаков Ю В 2006 Прецизионные спектральные исследования положительной стримерной короны постоянного тока Электричество No 9 80-7

80. Shcherbakov Yu V and Sigmond R S 2007 Subnanosecond spectral diagnostics of streamer discharges. I: Basic experimental results Journal of Physics D: Applied Physics 40 460-73

81. Shcherbakov Yu V and Sigmond R S 2007 Subnanosecond spectral diagnostics of streamer discharges. II: Theoretical background Journal of Physics D: Applied Physics 40 474-87

82. Shcherbakov Yu V, Lebedev V B, Feldman G G, Gorin В N, Rakov V A, Syssoev V S and Karpov M A 2007 High-speed optical studies of the long sparks in very transient stages Proceedings of the SP1E 6279 62795D

83. Shcherbakov Yu V 2007 Novel high-resolved spectroscopic studies of positive streamer corona Proceedings of the SPIE 6279 62795U

84. Shcherbakov Yu V and Domashenko G D 2007 A high-speed high-responsive PMT-based detector Proceedings of the SPIE 6279 6279IF

85. Shcherbakov Yu V 2007 A simplified model and numerical algorithm of the streamer foraccurate diagnostics Proceedings of the 38th Plasmadynamics and Lasers Conference of theth

86. American Institute of Aeronautics and Astronautics (38 AIAA PDL Conf) (Miami, FL, USA: June 25-28, 2007) ID: AIAA-2007-3845

87. Shcherbakov Yu V 2005 Subnanosecond spectral diagnostics of streamer discharges ISTC

88. Final Project Technical Report #1123 (Moscow, 2005) 180 p.

89. Syssoev V S and Shcherbakov Yu V 2000 Electric current waveforms induced by thestreamer propagation in air gaps of different lengths Proc. 25th 1CLP (Rhodos, Greece: September 18-22, 2000) 1 83-92

90. Sigmond R S and Goldman M 1981 Positive streamer propagation in short corona gaps inambient air Proc. XV ICPIG (Minsk, USSR, July, 1981) 1-3

91. Dyatko N A, Kochetov IV and Napartovich A P 1992 Electron energy distribution functionin the decaying nitrogen plasma Plasma Physics Reports 18 888-900

92. Kossyi I A, Kostinsky A Yu, Matveyev A A and Silakov V P 1992 Kinetic scheme of thenon-equilibrium discharge in nitrogen-oxygen mixture Plasma Sources Sci. Technol. 1 207-20

93. Matveev A A and Silakov V P 1999 Theoretical study of the role of ultraviolet radiation of the non-equilibrium plasma in the dynamics of the microwave discharge in molecular nitrogen Plasma Sources Sci. Technol. 8 162-78

94. Александров H JI и Con Э E 1980 Энергетическое распределение и кинетические коэффициенты электронов в газах в электрическом поле Химия плазмы В7 Атомиздат 35-75

95. Кочетов И В, Певгов В Г, Полак JI С, Словецкий Д И 1979 Скорости процессов, инициируемых электронным ударом в неравновесной плазме. Молекулярный азот и двуокись углерода Плазмохшшческие процессы М: ИНХС АН СССР 4-43

96. Дятко Н А, Кочетков И В, Напартович А П, Таран М Д 1983 Влияние процесса ионизации на кинетические коэффициенты в низкотемпературной плазме Препринт ИАЭ- М№3842/12 31

97. Исламов Р Ш, Кочетов И В, Певгов В Г 1977 Анализ процессов взаимодействия электронов с молекулой кислорода Препринт ФИАНМ№169 27

98. Pancheshnyi S 2005 Role of electronegative gas admixtures in streamer start, propagation and branching phenomena Plasma Sources Sci. Technol. 14 645-53

99. Massines F, Rabehi A, Decomps P, Ben Gardi R, Segur P and Mayoux С 1998 Experimental and theoretical study of a glow discharge at atmospheric pressure controlled by dielectric barrier J. Appl. Phys. 83 2950-7

100. Райзер Ю П 1987 Физика газового разряда М: Наука 592

101. Словецкий Д И 1980 Механизмы химических реакций в неравновесной плазме М: Наука 310

102. Гордиец Б Ф, Осипов А И, Шелепии JI А 1980 Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры М: Наука 512

103. Хаксли JI, Кромптон Р 1977 Диффузия и дрейф электронов в газах М: Мир 672

104. Onda К 1985 Rotational excitation of molecular nitrogen by electron impact J. Phys. Soc. Japan 54 No 12 4544-54

105. Itikawa Y, Hayashi M, Ichimura A 1986 Cross sections for collisions of electrons and photons with nitrogen molecules J. Phys. Chem. Ref. Data 15 No3 985-1010

106. Thomas W R L 1969 The determination of the total excitation cross section in neon by comparison of theoretical and experimental values of Townsend's primary ionization coefficient J. Phys. В 2 No5 551-61

107. Eliasson В 1983 Electrical discharge in oxygen. Parti: basic data and rate coefficients: Research report Brown Boweri Research Center Research Report KLR83-40C- Baden, February 143

108. Шульц Д Д 1982 Возбуждение колебательных уровней молекул электронным ударом при низких энергиях Плазма в лазерах М: Энергоиздат 70-113

109. Allan М 1985 Excitation of vibrational levels up to v=17 in N2 by electron impact in the 0-5eV region J. Phys. В 18 No22 4511-7119. binder F, Schmidt H 1971 Experimental study of low energy е-Ог collision processes Z. Naturf. 26a 1617-25

110. Dalgarno A, Noffett R J 1963 The rotational excitation of molecular nitrogen by slow electrons Proc. Natl. Acad. Sci. India A33 No4 511-21

111. Spence D, Schulz G L 1970 Vibrational excitation by electron impact in O2 Phys. Rev. A 2 No5 1802-11

112. Cartwright D C, Trajmar S, Chutjian A, Williams W 1977 Electron impact excitation of the electronic states of N2 Phys. Rev. A 16 No3 1041-51

113. Trajmar S, Cartwright D C, Williams W 1971 Differential and integral cross sections for the electron-impact excitation of the a'Ag ana b'Sg* states of O2 Phys. Rev. A 4 No4 1482-92

114. Trajmar S, Williams W, Kuppermann A 1972 Angular dependence of electron-impact excitation cross sections of O2 J. Chem. Phys. 56 N08 3759-65

115. Wakija К 1978 Differential and integral cross sections for the electron impact excitation of О2.1.ПУ. Phys. В11 No22 3913-30; 3931-8

116. Иванов Г А, Конахина А И, Иванов В Е 1984 Эффективные сечения рассеяния электронов атмосферными газами. I. Молекулярный кислород Препринт ПГИ-Апатиты № 83-10-29 42

117. Rapp D, Englander-Golden Р 1965 Total cross sections for ionization and attachment in gases by electron impact. I. Positive ionization J. Chem. Phys. 43 No5 1464-79

118. Mark T D 1975 Cross section for single and double ionization of N2 and O2 molecules by electron impact from threshold up to 170 eV J. Chem. Phys. 63 No9 3731-6

119. Rapp D, Briglia D D 1965 Total cross sections for ionization and attachment in gases by electron impact. II. Negative-ion formation J. Chem. Phys. 43 No5 1480-9

120. Rao Raja C, Raju Govinda G R 1971 Growth of ionization currents in dry air in high values of E/N J. Phys. D 4 No4 494-503

121. Lakshminarasimha С S, Lucas J 1977 The ratio of radial diffusion coefficient to modify for electrons in helium, argon, air, methane and nitric oxide J. Phys. D 10 No3 313-21

122. Moruzzi J L, Price D A 1974 Ionization, attachment and detachment in air and air-СОг mixtures J. Phys. D 7 No 10 1434-40

123. Tanigushi T, Tagashira H, Sakai Y 1978 Boltzmann equation analysis of the electron swarm development in nitrogen J. Phys. D 11 No12 1757-68

124. Brunet H, Rocca-Serra J 1985 Model for a glow discharge in flowing nitrogen J. Appl. Phys. 57 No5 1574-81

125. Shemansky D E, Broadfoot A L 1971 Excitation of N2 and N2+ systems by electrons J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 11 No 10 1401-39

126. Imami M, Borst W L 1974 Electron excitation of the (0,0) second positive band of nitrogen from threshold to 1000 eV J. Chem. Phys. 61 No3 1115-7

127. Shaw M, Campos J 1983 Emission cross sections of the second positive and first negative systems of N2 and N2+ excited by electron impact J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 30 Nol 73-6

128. Sharma V N, Singh R, Talpadi S К 1971 On the photoelectron impact to E32g+electronic state of molecular nitrogen and the cascade contributions to low lying states in day glow Ann. Geophys 27 No3 419-22

129. Elencovic В M, Phelps A V 1987 Excitation of N2 in dc electrical discharges at very high E/N Phys. Rev. A 11 Nol2 1757-68

130. Дворянкин Ф H, Кулагин Ю А, Шелепин JI A 1986 Механизмы электронной релаксации в атомно-молекулярных газах Препринт ФИАН М№107

131. Ianuzzi М Р, Jeffries J В, Kaufman F 1982 Product channels of the N2(a3Iu+)+02 interaction Chem. Phys. Lett 87 N06 570-4

132. Piper I G 1982 The excitation of O('S) in the reaction between N2 (a32u+) and 0(3P) J. Chem. Phys 77 No5 2373-7

133. Ferreira С V, Touzeau M, Hochard L, Cernogora G 1984 Vibratinal populations of N2(B3ITq) in a pure nitrogen glow discharge J. Phys. В17 No21 4439-48

134. Borst W L, Zipf E С 1970 Cross section for electron impact excitation of the (0,0) first negative band of N2+ from threshold to 3 keV Phys. Rev. A. 1 No3 834-40

135. Crandall D H, Kaupilla W E, Phaneuf R A, Taylor P O, Dunn G H 1974 Absolute cross section for electron-impact excitation of N2+ Phys. Rev. A. 9 No6 2545-51

136. Mitchell К В 1970 Fluorescence efficiencies and collisional deactivation rates for N2+ and N2 excited by soft X-rays J. Chem. Phys. 53 No5 1795-802

137. Zinn J, Sutherland С D, Stone S N, Duncan L M 1982 Ionospheric effects of rocket exhaust products HEAO-C, Skylab J. Atmos. Terr. Phys. 44 No 12 1143-71

138. Тихонов A H, Самарский A A 1977 Уравнения математической физики (M: Наука, Физматлит) 736 с.

139. Калиткин Н Н 1978 Численные методы (М: Наука, Физматлит) 512 с.

140. Lebedeva V V 1977 Optical Spectroscopy (Moscow: MSU, in Russian) 384 p.

141. Budo A 1937 Intensitatsformeln fur die Triplettbanden Zeitschrift fuer Physik 105 579-87

142. Herzberg G 1950 Molecular Spectra and Molecular Structure. I: Spectra of Diatomic Molecules (New York: van Nostrand)

143. Lochte-Holtgreven W 1968 Plasma Diagnostics (Amsterdam: North-Holland Publishing Company)

144. Demtroeder W 2003 Laser spectroscopy (Springer-Verlag) 987 p.

145. El'yashevich M A 2001 Atomic and Molecular spectroscopy (Moscow: Editorial URSS, in Russian) p 896

146. Bunker P R and Jensen P 1998 Molecular symmetry and spectroscopy (NRC Research Press Ottawa) p 763

147. Кузнецова JI А, Кузьменко H E, Кузяков Ю Я 1980 Вероятности оптических переходов двухатомных молекул (М: Наука) 320 с.

148. Радциг А А, Смирнов Б М 1980 Справочник по атомной и молекулярной физике (М: Атомиздат) 240 с.

149. Raizer Yu Р and Simakov А N 1996 Semispherical model of a streamer head Plasma Physics Reports 22 603-7

150. Sato N 1980 Discharge current induced by the motion of charged particles J. Phys. D.: Appl. Phys., 13L3-6

151. Moitow R and Sato N 1999 The discharge cunrent induced by the motion of charged particles in time-dependent electric fields; Sato's equation extended J. Phys. D: Appl. Phys. 32 L20-2

152. P. P. M. Blom 1997 High-Power pulsed corona: PhD Thesis, Eindhoven

153. Gravendeel В, P С T van der Laan, HoogFG 1988 External discharge current in ingomogeneous field configuration J. Phys. D: Appl. Phys. 21 436-41

154. Sigmond R S 1982 Simple approximate treatment of unipolar space-charge-dominated coronas: the Warburg law and the saturation current J. Appl. Phys. 53 891-8