Нестационарные кинетические процессы с участием метастабильных атомов инертных газов в плазменных волноводах

Шахсинов, Гаджи Шабанович

Нестационарные кинетические процессы с участием метастабильных атомов инертных газов в плазменных волноводах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Шахсинов, Гаджи Шабанович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Махачкала МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Нестационарные кинетические процессы с участием метастабильных атомов инертных газов в плазменных волноводах»

Автореферат диссертации на тему "Нестационарные кинетические процессы с участием метастабильных атомов инертных газов в плазменных волноводах"

На правах рукописи

Шахсинов Гаджи Шабанович

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ КИНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ С УЧАСТИЕМ МЕТАСТАБИЛЬНЫХ АТОМОВ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ В ПЛАЗМЕННЫХ ВОЛНОВОДАХ

01.04.04 — Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

(13 АПР 2014

Махачкала - 2014 005546608

005546608

Работа выполнена на кафедре физической электроники ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный университет»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Ашурбеков Назир Ашурбекович

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, доцент Иминов Кади Османович

Попов Олег Алексеевич, доктор технических наук, доцент ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»

Мейланов Руслан Пирметович, доктор физико-математических наук, профессор, заместитель директора ФГБУН «Институт проблем геотермии» ДНЦ РАН

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет»

Защита состоится « 18 » апреля 2014 года в 12°° на заседании диссертационного совета Д212.053.02 при ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный университет» по адресу: 367025, г. Махачкала, ул. Дзержинского, 12, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный университет» http://science.dgu.ru/.

Автореферат разослан «

л-»

марта 2014 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Курбанисмаилов В.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

Наносекундные электрические разряды являются эффективными источниками высокоэнергетичных электронов, формируемых в газовой среде в процессе электрического пробоя. Неравновесная плазма, создаваемая в таких устройствах, является аналогом плазменно-пучковых разрядов, перспективных с точки зрения практического применения в различных технологических устройствах, в частности, для накачки газовых лазеров, обработки поверхностей, в электронно-лучевых технологиях и др. В этой связи, актуальной фундаментальной проблемой газовой электроники является создание высокоэффективных газоразрядных систем, в которых пучки ускоренных электронов формируются непосредственно в самом газе в процессе электрического пробоя газа без использования внешних ускорителей электронов и громоздких систем дифференциальной откачки и ввода внешнего электронного пучка в газовую среду. К настоящему времени такие газоразрядные системы созданы и изучаются в целом ряде работ, посвященных генерации электронных пучков в разрядах с полым катодом, разрядах в коротких межэлектродных промежутках с использованием сетчатого анода, а также в протяженных разрядных промежутках на фронте волны ионизации.

К настоящему времени в циклах работ А.Н.Лагарькова, И.М.Руткевича, Э.И.Асиновского с сотрудниками, Л.М.Василяка с сотрудниками, А.Ю.Стариковского с сотрудниками и др. детально изучены модели и механизмы формирования высокоскоростных волн ионизации (ВВИ) в коаксиальных экранированных разрядных трубках, определены скорости распространения волн ионизации, на фронте волны ионизации обнаружены высокоэнергетичные электроны и связанное с ними рентгеновское излучение, исследованы процессы распространения фронтов свечения.

Вместе с тем следует отметить, что одной из особенностей таких разрядов в инертных газах является возможность получения в них метастабильных атомов с концентрацией, сопоставимой с концентрацией свободных электронов в разряде. В таких условиях метастабильные атомы выступают не только в качестве одного из каналов накопления энергии в среде, но и могут играть существенную роль в физических процессах на фронте ВВИ, оказать влияние на структуру фронтов волны ионизации и механизмы ее распространения.

Несмотря на значительное число исследований электрических характеристик таких систем, в литературе практически отсутствуют работы по изучению роли кинетических процессов с участием метастабильных атомов в формировании и распространении ВВИ.

можно управляемо изменять путем изменения характеристик ВВИ. В отличие от традиционных режимов формирования разряда и газоразрядной плазмы, в плазменных волноводах в условиях формирования, распространения и взаимодействия ВВИ возникают особые условия в плазме, а именно, значительные концентрации метастабильных атомов локализованы в области фронта ВВИ, распространяющейся в направлении от высоковольтного электрода к заземленному со скоростью 108-109 см/с.

Настоящая диссертация посвящена исследованию кинетических процессов с участием метастабильных атомов в плазменных волноводах в условиях формирования, распространения и взаимодействия высокоскоростных волн ионизации.

Объектом исследования являлись продольные высоковольтные наносе-кундные электрические разряды в длинных экранированных трубках (плазменных волноводах), в режиме формирования, распространения и взаимодействия высокоскоростных волн ионизации. Исследования проводились в инертных газах (гелий, аргон, неон) в диапазоне давлений рабочего газа 1-100 Тор и амплитудах высоковольтных импульсов напряжения в диапазоне 20-50 кВ.

Целью диссертационной работы являлось выполнение комплексных исследований роли кинетических эффектов с участием метастабильных атомов инертных газов в формировании и распространении ВВИ в условиях генерации высокоэнергетичных электронов на фронте волны ионизации.

Задачи, решаемые в данной работе:

1. развитие методики комплексного исследования структуры фронта ВВИ и процессов наработки метастабильных атомов в высоковольтных наносекундных разрядах в плазменных волноводах, наполненных инертными газами при средних давлениях;

2. исследование общих закономерностей формирования структуры фронта ВВИ в коаксиальных плазменных волноводах с цилиндрическими полыми электродами при средних давлениях инертных газов;

3. исследование режимов формирования и энергетической релаксации группы высокоэнергетичных электронов на фронте ВВИ; изучение роли физических процессов на границе диэлектрических стенок разрядной трубки в формировании и распространении ВВИ;

4. исследование кинетических эффектов с участием метастабильных атомов инертных газов в высокоскоростных волнах ионизации в плазменных волноводах;

5. построение кинетических моделей процессов с участием метастабильных атомов в плазменных волноводах, наполненных инертными газами.

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследований:

- Для определения электрических и оптических характеристик и скоростей перемещения фронтов ВВИ использовались методы емкостных и оптических зондов с наносекундным временным разрешением;

- Для исследования пространственно-временной структуры фронта ВВИ использовался метод скоростной фоторегистрации в покадровом режиме с наносекундным временным разрешением с использованием комплекса высокоскоростной Princeton Instruments - PI-MAX3 ICCD Camera;

- Для исследования динамики заселения метастабильных состояний атомов в ВВИ использовался метод лазерной абсорбционной спектроскопии с наносекундным временным разрешением;

- Для теоретического анализа кинетических эффектов в высокоскоростных волнах ионизации использовались численные методы исследования.

Научная новизна. В работе впервые выполнено комплексное систематическое исследование режимов формирования структуры фронта ВВИ в плазменных волноводах, снабженных полыми электродами и наполненных инертными газами в широком диапазоне изменения условий в разряде, амплитуд и длительностей высоковольтных импульсов напряжения. Установлено, что при давлениях газа выше 5 Тор фронт ВВИ имеет цилиндрическую форму с локализацией области интенсивной ионизации газа вдоль внутренней поверхности разрядной трубки, при этом вдоль центра плазменного волновода степень ионизации газа минимальна. Впервые экспериментально обнаружено и исследовано формирование значительных концентраций метастабильных атомов вдоль центральных областей фронта ВВИ, в то время как оптическое излучение из этих областей практически не наблюдается. Показано, что механизм наработки метастабильных атомов )i этой области связан с процессами фото- и электронного возбуждения атомов и результате выноса резонансного излучения и высоко-энергетичных электродов из области фронта ВВИ к центру плазменного волновода.

Показано, что при частотно-периодическом режиме формирования и распространения ВВИ остаточный заряд на стенках трубки влияет на процесс формирования и распространения ВВИ, в частности, с увеличением частоты следования ВВИ уменьшает поперечные неоднородности структуры фронта волны ионизации.

Впервые установлено, что при распространении широкополосного лазерного излучения в плазменном волноводе под углом к его оси нестационарный оптический спектр пропускания вблизи узких спектральных линий поглощения в неоне приобретает д исперсионный вид при плотностях метастабильных атомов, превышающих 1С12 см"3.

Положения, выносимые на защиту:

1. Фронт высокоскоростной волны ионизации в коаксиальных плазменных волноводах с полыми электродами имеет цилиндрическую форму с локализацией области ионизации газа вблизи внутренней поверхности разрядной трубки и минимумом степени ионизации газа вдоль центра волновода. В процессе роста степени ионизации газа толщина ионизованной области фронта ВВИ в поперечном направлении практически не растет.

2. Вдоль центра плазменного волновода нарабатываются значительные концентрации метастабильных атомов инертных газов, в то время как оптическое излучение из этой области практически не наблюдается. Механизм наработки метастабильных атомов в этой области связан с процессом фотовозбуждения и электронного возбуждения атомов в результате выноса резонансного излучения и высокоэнергетичных электронов из фронта ВВИ в сторону центра плазменного волновода.

3. При частотно-периодическом режиме формирования и распространения ВВИ остаточный заряд на стенках трубки влияет на процесс формирования и распространения ВВИ, в частности, с увеличением частоты следования ВВИ уменьшаются поперечные неоднородности структуры фронта волны ионизации.

4. При распространении внешнего широкополосного лазерного излучения в плазменном волноводе под углом к его оси нестационарный оптический спектр пропускания вблизи узких спектральных линий поглощения в неоне приобретает дисперсионный вид при плотностях метастабильных атомов, превышающих 1012 см"3.

Научная и практическая ценность работы. Результаты работы важны для понимания физики процессов, протекающих в наносекундных разрядах плазменно-пучкового типа с генерацией быстрых электронов на фронте волны ионизации. Результаты комплексного исследования данного типа разряда могут быть использованы для оптимизации параметров плазменных лазеров, при разработке плазменных реакторов и различных устройств плазменной электроники.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях: Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-11, г. Екатеринбург, 2005 г., ВНКСФ-12, г. Новосибирск, 2006 г.); Международная конференция «Наука и технологии: Шаг в бу-дущее-2006» (Киев, 2006); V International Conference "Plasma Physics and Plasma Technology" (Minsk, Belarus, 2006.); IV, V, VI и VII Всероссийская конференция «Физическая электроника» (Махачкала, 2006, 2008, 2010 и 2012); Международная конференция «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2010); XXXVIII и XXXIX Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2011 и 2012).

Работа выполнена с использованием научного оборудования ЦКП «Аналитическая спектроскопия» при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы» и Грантов РФФИ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 36 работ. Из них статей в журналах, входящих в Перечень ВАК — 9, тезисов докладов в материалах конференций — 27.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Общий объем диссертации - 145 страниц, 31 рис., 3 табл. Список цитируемой литературы содержит 132 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируются цель и решаемые в работе задачи, дается краткое описание структуры и содержания диссертации.

В главе I дан обзор научной литературы, посвященной формированию высоковольтных наносекундных разрядов в длинных экранированных трубках, генерации в них высокоэнергетичных электронов и возбуждению электронных состояний атомов. Проанализированы оптические процессы с участием мета-стабильных атомов.

Во второй глаие дается описание экспериментальной установки и методик комплексного исследования структуры и свойств высокоскоростных волн ионизации в плазменных волноводах. В качестве коаксиального плазменного волновода для формирования ВВИ использована разрядная трубка длиной около 50 см, внутренним диаметром 0.8 см, помещенная в алюминиевый экран диаметром примерно 2 см, снабженный двумя цилиндрическими полыми электродами (рис.1.) Для формирования ВВИ были использованы два типа генераторов высоковольтных импульсов (ГИН) напряжения. Один из них был собран по трансформаторной схеме и вырабатывал два синхронизованных высоковольтных импульса напряжения регулируемой амплитуды до 40 кВ и длительностью по полувысоте около 80 не. Такой тип ГИН позволял формировать в плазменном волноводе две встречных ВВИ путем подачи высоковольтных импульсов напряжения па противоположные концы волновода.

Второй тип ГИН вырабатывал одиночные импульсы высокого напряжения длительностью около 20 не и регулируемой амплитудой в диапазоне 20-50 кВ. Оба ГИН имели возможность работать в частотно-периодическом режиме с частотой следования импульсов до 100 Гц.

Для исследования скоростей перемещения фронта электрического потенциала и фронта свече ния ВВИ вдоль разрядной трубки установлены пять емкостных и пять оптических (в виде отрезков световодов) датчиков.

Поперечная структура фронта ВВИ исследовалась методом скоростной фоторегистрации с ис пользованием спектроскопического комплекса на основе быстродействующей 1CCD камеры Princeton Instruments PI-MAX3. В ICCD камере PI-MAX3 входное изображение фокусируется на фогокатод электронно-оптического преобразователя (ЭОП). Изображение усиливается и выводится гораздо ярче, в полутонах серого в зеленом свете. Это излучение направляется на ПЗС матрицу с помощью цельного волоконно-оптического пучка из выхода усилителя изображения на переднюю сторону ПЗС-матрицы. После детектирования ПЗС-матрицей, изображение считывается контроллером, где оцифровывается и передается к а компьютер для обработки через высокоскоростное соединение. Скоростная фотокамера сопряжена с спектрографом модели Acton SP2300Î с диспергирующим элементом на основе дифракционной решетки, обеспечивающей получение изображения спектра исследуемого свечения в выходной плоскости для проектирования на ПЗС-детектор.

В модели скоростной камеры PI-MAX3 использован ПЗС-регистратор типа KodakKAI:1003 (interline - матрица с буферизацией столбцов) форматом 1024x1024. Размер пикселя ПЗС-матрицы составляет 12,8 мкм х 12,8 мкм, размер области изображения 13,1 мм х 13,1 мм (18 мм диаметр), размер усилителя - 18 мм. Диапазон границ спектральной чувствительности фотокатода составляет от 200 нм до 850 нм с минимальной временной экспозицией - 2 не.

Для исследования процессов наработки метастабильных атомов на фронте ВВИ использован метод лазерной абсорбционной спектроскопии, где в качестве источника зондирующего излучения использован перестраиваемый по частоте лазер на красителях с накачкой эксимерным лазером на молекулах XeCl модели CL 5000 (ООО «Оптосистемы», Россия) с длиной волны генерации 308 нм. Регистрация оптических спектров спонтанного излучения разряда и спектров пропускания плазменного волновода производилась с помощью Моно-

Рис.1. Схематический разрез плазменного волновода и схема формирования встречных ВВИ. 1 - внешний зондирующий лазерный пучок; 2 - полый электрод; 3, 11- напуск и откачка газа; 4 - ГИН; 5 - ограничители разряда (изолятор); 6 - емкостные и оптические датчики; 7 - силовые линии электрического поля; 8 - направление движения ВВИ; 9 - изолятор; 10 - металлический экран; 12 - кварцевые окошки; 13 - кварцевая разрядная трубка.

При исследовании роли процессов на границе диэлектрической стенки разрядной трубки в формировании и распространении ВВИ анализировались релаксационные процессы диэлектрических свойств материала стенки разрядной трубки после взаимодействия с фронтом волны ионизации.

Исследования были выполнены в инертных газах гелии, неоне и аргоне в диапазоне давлений газа 1-100 Тор.

В главе III представлены результаты комплексного экспериментального исследования электрических и оптических свойств ВВИ в плазменных волноводах.

Были выполнены систематические исследования скоростей распространения фронтов градиента электрического потенциала и фронтов свечения ВВИ в зависимости от давления газа, амплитуд и длительности фронта импульсов напряжения при различных режимах формирования волн ионизации: для формирования одиночных ВВИ, встречных ВВИ одинаковой полярности и встречных ВВИ разной полярности. Для регистрации локальных характеристик релаксационных процессов на фронте ВВИ дополнительно исследовались интен-

сивности оптического излучения в поперечном сечении разрядной трубки в зависимости от давления газа и амплитуды импульсов напряжения. Одновременно с этим определялись скоросгь распространения, амплитуда и коэффициент затухания ВВИ.

Систематизация результатов указанной серии экспериментов позволила установить, что в исследованном диапазоне изменения давлений газа и амплитуд импульсов напряжения скорости распространения ВВИ меняются в пределах 108-109 см/с; в области взаимодействия встречных ВВИ разной полярности наблюдается эффект гашения их потенциала; импульсы оптического излучения содержат максимумы, соответствующие различным, в том числе, отраженным от концов волновода ВВИ.

Для определения структуры фронтов ВВИ были выполнены систематические исследования распределения оптического излучения в поперечном сечении плазменного волновода с помощью комплекса Р1-МАХЗ в покадровом режиме с временем экспозиции до 2,5 не на различных стадиях развития ВВИ. Характерная структура фронта ВВИ в неоне для двух давлений газа приведена на рис. 2.

Систематизация результатов исследования структуры фронтов ВВИ позволила сделать следующие выводы:

1. При низких давлениях газа фронт ВВИ развивается во всем объеме разрядной трубки плазменного волновода с максимумом степени ионизации вдоль центра и минимумом вдоль стенок трубки;

2. При повышении давления газа фронт ВВИ приобретает цилиндрическую форму о максимумом области ионизацин вдоль стенок и минимумом - вдоль центра разрядной трубки, причем с ростом давления газа толщина области интенсивной ионизации, прижатой к стенкам трубки, уменьшается и при давлениях газа выше 30 Тор составляет величину менее 1 мм;

3. В процессе развития ионизации и наработки ионизованных и возбужденных атомов толщина области с сильной ионизацией практически не меняется, т.е. не формируются ударные волны и не наблюдается поперечного расш ирения фронта ВВИ;

4. Граница по давлению перехода объемной формы фронта ВВИ к скользящей форме растет от аргона к неону и далее к гелию. Фронт ВВИ в аргоне переходит от объемной формы к скользящей по поверхности диэлектрика при давлениях газа выше 0.5 Тор; в неоне - при давлениях газа выше 3 Тор; в гелии - при давлениях газа выше 10 Тор. С повышением амплитуды импульсов напряжения граница по давлению перехода объемной формы ВВИ к скользящей форме снижается.

5. При скользящей форме фронта ВВИ максимальная интенсивность оптического излучения вблизи стенок разрядной трубки может превосходить аналогичную величину из центральных областей разрядной трубки в 5-6 раз.

200-

А л

а) б)

Рис. 2. Структуры фронта ВВИ в неоне через 75 не после старта ВВИ при давлениях неона 1 Тор (а) и 25 Тор (б). Длительность экспозиции 5 не, амплитуда импульсов напряжения 28 кВ.

В аналогичных условиях были выполнены исследования динамики наработки метастабильных атомов инертных газов в различных областях фронта ВВИ. Известно, что в инертных газах два из четырех низколежащих возбужденных состояний атомов являются метастабильными, а два других также имеют достаточно большие времена жизни из-за эффекта реабсорбции излучения. С целью определения их концентраций были определены условия применимости метода лазерной абсорбционной спектроскопии, проанализированы возможные погрешности измерений, и с учетом этого анализа выполнен комплекс экспериментальных исследований с наносекундным временным разрешением. Проведенный цикл таких исследований показал, что в исследованном диапазоне изменения давлений газа и амплитуд импульсов напряжения плотности метастабильных атомов имеют величины в максимуме от 1012 см"3 до 10|4см"3 в зависимости от давления газа и амплитуды импульсов напряжения, причем так же как и оптическое излучение при давлениях газа выше 5 Тор, распределение концентраций метастабильных атомов на фронте ВВИ имеет максимум вблизи стенок разрядной трубки.

Рис. 3. Зависимость концентраций возбужденны;; атомов неона в состоянии 3$3Р1(1) и Зэ Ро (2) от времени, измеренная вдоль центра трубки при давлении газа 10 Тор, амплитуде импульсов напряжения 36 кВ.

О 200 400 600 800 1000

задержка, не

Следует отметить, что при давлениях газа выше 25 Тор оптическое излучение из центральных областей разрядной трубки практически не наблюдалось, в то время как в этих областях регистрировались значительные ¡концентрации метастабильных атомс в.

С целью изучения релаксационных процессов на фронте ВВИ был выполнен цикл исследований спектрального состава оптического излучения фронта ВВИ. Анализ и систематизация всего набора экспериментальных результатов показывает, что наблюдаются общие закономерности в формировании спектра оптического излучения наносекундных разрядов в инертных газах. Среди наблюдаемых закономерностей, как наиболее важные, можно выделить следующие. Линейчатый спектр оптического излучения наблюдается на фоне заметного сплошного спектра, который наиболее наглядно виден на панорамных спектрах излучения ВВИ в гелии. Из возможных причин формирования сплошного спектра можно указать на тормозное излучение, обусловленное наличием в разряде группы высокоэнергетичных электронов. Кроме того, часть сплошного спектра, примыкающего к отдельным спектральным линиям, вызвана излучением эксимерных молекул инертных газов и примесных молекул, в частности, водорода. При изменении амплитуды импульсов напряжения и давления газа существенно меняется распределение интенсивностей по спектральным линиям. В частности, в ВВИ в неоне с повышением амплитуды импульсов напряжения интенсивности спектральных линий в длинноволновой части спектра растут быстрее, чзм в коротковолновой области, в то время как в гелии, наоборот, растет интенсивность спектральных линий, расположенных в коротковолновой области слектра. Эта закономерность, по-видимому, связана с более эффективным возбуждением высокорасположенных энергетических уровней.

Исследования релаксационных процессов на стенке разрядной трубки после взаимодействия с фронтом ВВИ показали, что время релаксация -диэлектрических потерь составляет несколько минут.

Четвертая глава посвящена анализу кинетических процессов на фронте ВВИ с участием метастабильных атомов инертных газов.

На основе экспериментальных результатов по электрическим характеристикам ВВИ выполнен анализ режимов формирования и энергетической релаксации группы высокоэнергетичных электронов на фронте волны ионизации. Характерный размер области усиленного поля (длина фронта ВВИ) имеет величину порядка 1ф ~ тиф, где т - длительность переднего фронта ВВИ; иф - скорость ВВИ. При отрицательной полярности импульсов напряжения, когда характеристики волны ионизации в основном определяются током высокоэнергетичных электронов, процессы на фронте ВВИ аналогичны процессам на «головке» электронного пучка, распространяющегося через газ. В этом случае фронт волны ионизации является движущимся виртуальным катодом, испускающим высокоэнергетичные электроны с энергией порядка ее - то ф/1. В табл. 1 приведены характерные значения параметров ВВИ (приведенной напряженности электрического поля Е/Р, длительности фронта т, скорости фронта и предельной энергии быстрых электронов, ускоренных на фронте е) для случая формирования и распространения волны ионизации отрицательной полярности в неоне при длительности фронта около 50 не.

Табл.1.

Р.Тор и, кВ Е, В/см Е/Р, В/(см-Тор) т, 10"''с V*, 108см/с с, эВ

1 40 1894 1894 48 4,4 55

10 40 1867 187 51 4,2 50

20 40 1429 71 56 5,0 71

60 40 1587 26 60 4,2 50

Для второго типа ГИН, использованного в данной работе, с импульсами напряжения длительностью 20 не значения приведенного электрического поля значительно выше. Следует отметить, что на фронте ВВИ нет классического эффекта непрерывного ускорения электронов, поскольку при скоростях электронов, превышающих скорость ВВИ, они выходят из области усиленного поля, и вблизи фронта наблюдаются релаксационные процессы.

Наличие высокоэнергетичных электронов существенным образом влияет на развитие пробоя и на оптические свойства разряда, поскольку характер релаксации заселенностей возбужденных состояний атомов за фронтом волны ионизации в значительной степени определяется релаксацией функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ). Поскольку фронт ВВИ является источником быстрых электронов, то ФРЭЭ состоит из двух частей - быстрой, с энергией ее ~ тьг</1, и медленной, состоящей в основном из вторичных электронов плазмы. Режим формирования ФРЭЭ можно анализировать путем введения параметра релаксации:

где 1/е-частота межэлектронных столкновений; 5 = 2ш/М; у а - частота упругих столкновений электронов с атомами; у *- частота неупругих столкновений электронов с атомами; г г - время ухода электронов из области усиленной иониза-

ции Проведенный анализ показал, что максимум метастабильных атомов на фронте ВВИ определяется конкуренцией процессов прямого электронного возбуждения высокоэнергетичными электронами и процессами ступенчатой ионизации и энергетической релаксации ФРЭЭ. Показано, что при давлениях газа . выше 10 Тор наработка концентраций метастабильных атомов в центральных областях разрядной трубки, где нет заметного оптического излучения, в основном определяется процессами фотовозбуждения и электронного возбуждения в результате выноса резонансного излучения и высокоэнергетичных электронов из пристеночных областей ВВИ к центру плазменного волновода. Отметим, что в этих условиях потери быстрых электронов обусловлены не их диффузиеи к стенкам разрядной трубки, а, наоборот, переносом к центру разрядной трубки, где степень ионизации ниже, чем вблизи стенок.

Далее детально анализируются процессы распространения широкополосных электромагнитных волн оптического диапазона (лазерного излучения) в плазменном волноводе в условиях накопления значительных концентрации метастабильных атомов. Этот цикл исследований выполнен для ВВИ в неоне.

Для более точ того определения области взаимодействия лазерного излучения с ВВИ были сформированы лазерные пучки диаметром примерно 1 мм, и регулировалось направление распространения лазерного излучения относительно оси плазменного волновода. Таким образом были выполнены две серии исследований. Первая серия экспериментов была поставлена, когда лазерный пучок распространялся параллельно оси плазменного волновода. Исследования показали что при такой геометрии экспериментов наблюдается обычное поглощение с колоколообразным контуром спектральной линии поглощения, величина которой зависит от времени задержки между импульсом лазера и фронтом ВВИ, т.е. от концентрации поглощающих частиц.

Вторая серия экспериментов была поставлена для случая распространения лазерного излу-ения под небольшим углом к оси плазменного волновода. Детальные исследования в этих условиях позволили впервые установить что при плотностях поглощающих частиц выше 1012 см"3 наблюдается эффект формирования спектра пропускания плазменного волновода дисперсионного вида вблизи узкого резонанса, соответствующего спектральной линии поглощения. Характерный вид нестационарного огггического спектра пропускания дисперсионного вида вблизи спектрального перехода неона с длиной волны 650.6 нм

представлен на рис. 4.

Установлены эбщие закономерности формирования спектров пропускания дисперсионного вида. Проанализированы возможные механизмы этого эффекта.

V ,ТГц

Рис.4. Характерный спектр пропускания плазменного волновода, наполненного неоном при давлении 20 Тор вблизи спектральной линии поглощения с длиной волны 650.6 нм при распространении ВВП с амплитудой напряжения 28 кВ (1) и без ВВИ (2).

Неоднородное распределение концентраций возбужденных, в том числе, метастабильных атомов по сечению разрядной трубки вызывает неоднородное пространственное распределение оптического показателя преломления плазмы. Электронная теория дисперсии дает возможность оценить частотную зависимость показателей преломления и и коэффициента поглощения % электромагнитной волны оптического диапазона вблизи узких резонансов (спектральных линий поглощения в ионизованном газе). С учетом возможности насыщения разность заселенностей между двумя уровнями атомов можно описать следующим соотношением:

.АЛ - Ы, = 1 Ыг

1-5

где ЛГлг - установившиеся концентрации атомов на уровнях 1 и 2 в поле лазерного излучения, № и - то же самое при отсутствии лазерного излучения; 5=1/1, - параметр насыщения, пропорциональный интенсивности лазерного излучения 1-Е2 . Здесь Е - напряженность электрического поля лазерного излучения. Постоянная Л , имеющая размерность интенсивности лазерного излучения, зависит от вероятностей электронных переходов в атомах, в данном случае - от вероятностей электронных переходов в атомах неона.

В этом случае коэффициент поглощения х(ш)п показатель преломления п, пропорциональные разности заселенностей рабочих уровней атомов N¡-N2, можно определить следующими выражениями:

!___л , сХо -8

*(<*») =Х0т—■=?, п = 1 +

'1+л-а*' о,

Здесь Хо - коэффициент поглощения в точном резонансе при отсутствии насыщения, 6 — (ы — со0)/у21- расстройка частоты лазерного излучения со от частоты спектрального перехода со0, у21 - ширина спектральной линии, с - скорость света.

Показано, что в рассматриваемых условиях нелинейные эффекты, связанные с насыщением поглощения или формированием нелинейных линз в плазменном волноводе, являются несущественными.

В заключении приводятся основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы:

Заключение

Основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы:

1. Развита методика комплексного исследования структуры фронта высокоскоростной волны ионизации и плотности метастабильных атомов инертных газов в тазменных волноводах с цилиндрическими полыми электродами, включающая в себя методы скоростной фоторегистрации, емкостных зондов, оптической эмиссионной и лазерной абсорбционной спектроскопии. Разработана автоматизированная экспериментальная установка для исследования электрокинетических и оптических характеристик высокоскоростных волн в плазменных волноводах.

2. Установлено, что фронт высокоскоростной волны ионизации в плазменных волноводах имеет цилиндрическую форму с максимумом области интенсивной ионизации в тонком цилиндрическом слое, прижатом к внутренним диэлектрическим стенкам разрядной трубки. Показано, что на фронте волны ионизации в процессе наработки концентрации ионизованных и возбужденных атомов толщина ионизованной области газа практически не меняется и составляет величину около 1 мм. С уменьшением давления газа до величин ниже 1 Тор толщина ионизованной области газа увеличивается до нескольких миллиметров.

3. Детально исследованы условия и режимы формирования и энергетической релаксавд и группы высокоэнергетичных электронов на фронте высокоскоростные волн ионизации в плазменных волноводах, наполненных инертными газами в диапазоне давлений газа 1-100 Тор при амплитудах импульсов напряжения до 50 кВ. Показано, что предельная энергия высокоэнергетичных электронов составляет величину до нескольких десятков эВ.

4. Впервые установлено, что в слабосветящейся области вдоль центра плазменного волновода нарабатываются значительные плотности метастабильных атомов инертных газов, в то время как оптическое излучение из этой области практически не наблюдается. Показано, что механизм наработки метастабильных атомов в этой области связан с процессом фотовозбуждения и электронного возбуждения атомов в результате выноса резонансного излучения и высокоэнергетичных электронов из фронта ВВИ в сторону центра плазменного волновода.

5. Показано, что и результате взаимодействия с фронтом ВВИ диэлектрические свойства стенки разрядной трубки плазменного волновода меняются, причем релаксационные процессы диэлектрических свойств длятся в течение нескольких минут. В результате этого, при частотно-периодическом режиме формирования и распространения ВВИ остаточный заряд на стенках трубки влияет на процесс формирования и распространения ВВИ. В частности, с увеличением частоты следования ВВИ уменьшаются поперечные неоднородности структуры фронта волны ионизации.

6. Выполнены детальные исследования поперечного распределения коэффициента поглощения £(со) и оптического показателя преломления «(cd) вблизи узкого резонанса в спектре Nel с длиной волны 650,6 нм в процессе формирования и распространении высокоскоростных волн ионизации в плазменном волноводе, заполненном неоном с давлениями газа в диапазоне 1-100 Тор. Впервые установлено, что при распространении широкополосного лазерного излучения под углом к оси плазменного волновода, вблизи узкой спектральной линии поглощения атомов неона при плотностях метастабильных атомов, превышающих 1012 см'3, наблюдаются эффекты формирования нестационарных оптических спектров пропускания дисперсионного вида.

7. Установлены общие закономерности и критерии формирования нестационарных оптических спектров пропускания плазменного волновода вблизи узких резонансов в оптическом спектре поглощения неона. Показано, что наличие в плазменном волноводе поперечных неоднородностей коэффициента поглощения и оптического показателя преломления приводит к эффектам перекачки энергии на крыльях спектральной линии поглощения среды.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи, опубликованные в журналах, включенных в Перечень ВАК

1. Ашурбеков H.A., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Лазерно-индуцированные эффекты взаимодействия широкополосного лазерного излучения с плазмой наносекундных разрядов в плазменном волноводе // Вестник ДГУ. Естественные науки. 2010. №. 6. С. 37-41.

2. Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Кобзев О.В., Кобзева B.C., Шахсинов Г.Ш. Исследование влияния профиля поверхности катода на электрокинетические и оптические характеристики высоковольтного наносекунд-ного разряда // Вестник ДГУ. Естественные науки. 2011. №. 1. С. 5-13.

3. Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Особенности распространения широкополосного лазерного излучения в неоднородной плазме вблизи узкой спектральной линии поглощения // Вестник ДГУ. Естественные науки. 2011. №. 6. С. 5-10.

4. Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Эффекты взаимодействия наносекундного плазменно-пучкового разряда х диэлектрическими стенками разрядной камеры // Вестник ДГУ. Естественные науки. 2011.№. 6. С. 11-15.

5. Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Кобзев О.В., Шахсинов Г.Ш. Экспериментальное исследование влияния поперечного магнитного поля на электрические и оптические характеристики наносекундного разряда с полым катодом // Изв. Вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2011. №6. С. 30-35.

6 Ашурбеков H.A., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Кинетические оптические эффекты в высоковольтных продольных накосекундных разрядах в инертных газах V Вестник ДГУ. Естественные науки. 2012. №. 1. С. 46-50.

7 Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Шахсинов Г.Ш., Муртазаева A.A., Рамазанов А.Р. Частотный сдвиг в нестационарных оптических спектрах пропускания нанос гкундных разрядов в инертных газах вблизи узких резо-нансов // BecTHíiK ДГУ. Естественные науки. 2012. №. 6. С. 25-29.

8 Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Нестационарные оптические спектры излучения высокоскоростных волн ионизации в смесях инертных газов ,/ Вестник ДГУ. Естественные науки. 2013. №6. С.10-14.

9 Магомедов М.А., Муртазаева A.A., Шахсинов Г.Ш., Муртазалиев P.A., Курбанова Д.Р., Магомедов H.A. Численное моделирование процессов распространения лазерного излучения в цилиндрическом плазменном волноводе методами вычислительной физики // Вестник Д1 У. Естественные науки. 2013. №6. С.15-20.

Цругие публикации

10 Шахсинов Г.Ш., Погореловская М.А. Формирование импульсов оптического излучения в высоковольтных наносекундных разрядах в режиме формирования двух встречных высокоскоростных волн ионизации // В сб • Материалы одиннадцатой всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-11, г. Екатеринбург, 24-31

марта 2005 г.). С. 199-200.

11 Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Оптическое излучение плазмы в режиме генерации встречных высокоскоростных волн ионизации // В со.: Материалы двенадцатой всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-12, г. Новосибирск, 23-29 марта

2006 г.). С. 358-359.

12 Ашурбеков H.A., ОмароваН.О., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Оптическое изучение во встречных высокоскоростных волнах ионизации в цилиндрических волноводах.//«Тезисы международной конференции «Науки технологии 2006». Киев. 2006.

13 Ashurbekov N.A., Omarova N.O., Shakhsinov G.Sh., Ramazanov A.R. Modes of optical irradiation pulses formation in high-velocity counter .onization waves // V International Conference "Plasma Physics and Plasma Technology". Minsk. Belarus.2006. Vol. 1. P. 132-135.

14 Ашурбеков H.A., Омаров O.A., Омарова Н.О., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А Р. Релаксационные процессы в плазменных волноводах в условиях распространения встречных высокоскоростных волн ионизации // В сб.: Материалы IV Всероссийской конференции по физической электронике ФЭ-

2006. Махачкал 1.2006. С.21-25.

15 Омарова Н.О., Лахина М.А., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Исследование оптического излучения продольного наносекундного разряда, развивающегося в режиме формирования и распространения встречных высо-

коскоростных волн ионизации // XXXV Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. Звенигород. 2008 г.

16.Ашурбеков H.A., Омарова Н.О., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Формирование оптического излучения во встречных высокоскоростных волнах ионизации // В сб.: Материалы V Всероссийской конференции по физической электронике ФЭ-2008. Махачкала. 2008. С.170-172.

17.Ашурбеков H.A., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Взаимодействие широкополосного лазерного излучения с высокоскоростными волнами ионизации в плазменных волноводах // В сб.: Материалы V Всероссийской конференции по физической электронике ФЭ-2008. Махачкала.2008. С 173175.

18.Ашурбеков H.A., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Эффекты взаимодействия широкополосного лазерного излучения с высокоскоростными волнами ионизации в плазменном волноводе // 9-ое Международное Совещание по Магнитоплазменной Аэродинамике. Москва. (13-15 апреля 2010г).

19.Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Кобзева B.C., Кобзев О.В., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Оптика высоковольтных наносекундных электрических разрядов в инертных газах // В сб.: Материалы VI Всероссийской конференции по физической электронике ФЭ-2010. Махачкала.2010 С.39-40.

20.Ашурбеков H.A., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Лазерно-индуцированные эффекты с участием метастабильных атомов неона в плазменных волноводах // В сб.: Материалы VI Всероссийской конференции по физической электронике ФЭ-2010. Махачкала.2010. С.75-79.

21.Ашурбеков H.A., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р., Курбанисмаилов М.В. Кинетика метастабильных атомов неона во встречных высокоскоростных волнах ионизации // В сб.: Материалы VI Всероссийской конференции по физической электронике ФЭ-2010. Махачкала.2010. С.80-83.

22.Ашурбеков H.A., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Пространственное распределение оптического излучения в плазменных волноводах в условиях формирования высокоскоростных волн ионизации // В сб.: «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах». Махачкала. 2010. С. 567-569.

23.Ашурбеков H.A., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Нелинейное взаимодействие широкополосного лазерного излучения с метастабильными атомами неона вблизи спектральной линии поглощения // В сб.: «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах». Махачкала. 2010. С. 570-572.

24.Ашурбеков H.A., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Нелинейное взаимодействие полихроматического лазерного излучения с плазмой высокоскоростных волн ионизации в неоне // В сб.: Тезисы докладов XXXVIII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и

УТС, 14-18 февраля 2011 г.

http://vvww.fpl.2pi.rU/Zvenigorod/XXXVIII/L.htmWSekcijaP

25.Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Кобзев О.В., Шахсинов Г.Ш. Инновационные спектрос копические методы исследования сильноточных плазмен-но-пучковых с1::стем.//В сб.: Труды Международной конференции «Инно-ватика - 2011». Т. 2. ИЦ УГУ. Ульяновск. 2011. С. 61 - 62

26.Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Взаимодействие широкополосного лазерного излучения с неоднородной плазмой наносекундного разряда в плазменном волноводе вблизи спектральной линии поглощения // В сб.: Всероссийской конференции «Физика низкотемпературной плазмы» ФНТП - 2011. (21 - 27 июня 2011 г.). Петрозаводск.

27.Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Шахсинов Г.Ш. Исследование динамики поверхностных явлений на границе плазма - диэлектрик // В сб.: Тезисы докладов XXXIX Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. 6-10 февраля 2012 г.

28.Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Кинетические эффекть: взаимодействия широкополосного лазерного излучения с плазмой высоковольтных наносекундных разрядов // В сб.: Материалы VII Всероссийской конференции «Физическая электроника». 2012. С. 3335.

29.Ашурбеков H.A., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Эффекты формирования контуров спектральных линий поглощения дисперсионного вида в наносекундных разрядах в цилиндрических плазменных волноводах // В сб.: Материалы VII Всероссийской конференции «Физическая электроника». 2012. С. 52 -54.

30.Ашурбеков H.A., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Частотный сдвиг в нестационарных оптических спектрах пропускания наносекундных разрядов в инертных газах вблизи узких резонансов /'/ В сб.: Материалы VII Всероссийской конференции «Физическая электроника». 2012. С. 55-58.

31.Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Шахсинов Г.Ш. Влияние диэлектрической границы н i характеристики наносекундного разряда с протяженным полым катодом // В сб.: Материалы VII Всероссийской конференции «Физическая электроника». 2012. С. 98-102.

32.Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р., Юсупова Г.М. Особенности формирования нестационарных оптических спектров пропускания неоднородной плазы наносекундных разрядов. В сб.: Тезисы докладов XL Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 11-15 февраля. Москва, 2013. С. 199.

33.Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Шахсинов Г.Ш., Юсупова Г.М. Формирование виртуального анода в наносекундных разрядах с полым катодом. В сб.: Тезисы докладов XL Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 11-15 февраля. Москва, 2013. С. 198.

34.Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Особенности заселения метастабильных состояний атомов Не в наносекундном разряде с протяженным полым катодом. В сб.: XI Международной конференции Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул AMPL-2013, 16-20 сентября 2013 г., Томск, Россия.

35.Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Влияние диэлектрической границы на электрические характеристики поперечного наносекундного разряда с протяженным щелевым катодом. В сб.: XI Международной конференции Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул AMPL-2013, 16-20 сентября 2013 г., Томск, Россия.

36.Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Шахсинов Г.Ш., Рамазанов А.Р. Оптические спектры пропускания неоднородной плазмы наносекундных электрических разрядов вблизи узких спектральных линий поглощения. // Современные проблемы физики плазмы. Материалы Всероссийской конференции (25 - 27 октября 2013 г.). Махачкала: ИПЦ ДГУ, 2013. С. 9-15.

Формат 60x34. 1/16. Печать ризографная. Бумага № '. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. - 1,5 изд. печ. л. - 1,5. Заказ - 17/03/14. Тираж 100 экз. Отпечатано в «Деловой мир» Махачкала, ул. Коркмасова, 356

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Шахсинов, Гаджи Шабанович, Махачкала

ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный университет»

04201456996

Шахсинов Гаджи Шабанович

01.04.04 - физическая электроника

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д. ф.-м. н., профессор

Ашурбеков Назир Ашурбекович

Научный консультант: д. ф.-м. н., профессор Иминов Кади Османович

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ

Махачкала - 2014

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................4

ГЛАВА1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ, РАЗВИВАЮЩИХСЯ В РЕЖИМЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ВОЛН ИОНИЗАЦИЙ (ВВИ).............................15

1.1.Волны ионизации в ограниченной плазме.......................................................................15

1.2. Генерация высокоэнергетичных электронов в газовых разрядах.............................19

1.3. Нестационарное оптическое излучение высокоскоростных волн ионизации в ограниченном газовом разряде..............................................................................................25

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА КОМПЛЕКСНОГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ВОЛН ИОНИЗАЦИИ В ПЛАЗМЕННЫХ ВОЛНОВОДАХ.....................................................................................................28

2.1 .Экспериментальная установка для исследования кинетических процессов в высокоскоростных волнах ионизации в инертных газах.................................................28

2.2. Методика и техника исследования структуры фронта ВВИ.......................................32

2.3. Методика и техника исследования процессов взаимодействия фронта ВВИ с диэлектрическими стенками разрядной трубки................................................................35

2.4. Методика и техника исследования спектрального состава оптического излучения и процессов наработки метастабильных атомов инертных газов в высокоскоростных волнах ионизации..................................................................................38

2.5. Анализ погрешностей измерений......................................................................................46

ГЛАВА 3. КОМПЛЕКСНОЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ВОЛНАХ ИОНИЗАЦИИ В ПЛАЗМЕННЫХ ВОЛНОВОДАХ.....................................................................................................49

3.1. Формирование и распространение высокоскоростных волн ионизации в коаксиальном плазменном волноводе с полыми цилиндрическими электродами.....50

3.2. Экспериментальное исследование структуры фронта высокоскоростной волны ионизации в коаксиальных плазменных волноводах с полыми цилиндрическими

3.3. Исследование физических процессов на границе диэлектрической стенки разрядной трубки и фронта высокоскоростной волны ионизации................................69

3.4. Исследование процессов формирования возбужденных и метастабильных

атомов в высокоскоростных волнах ионизации в коаксиальных плазменных

волноводах с полыми цилиндрическими электродами....................................................76

3.4.1. Особенности распространения электромагнитных волн оптического диапазона в плазменных волноводах вблизи узких резонансов...........................................................................85

ГЛАВА 4. КИНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ С УЧАСТИЕМ

МЕТАСТАБИЛЬНЫХ АТОМОВ В КОАКСИАЛЬНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ВОЛНОВОДАХ С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ ПОЛЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

..................................................................................................................................91

4.1. Формирование высокоэнергетичных электронов на фронте волны ионизации и

режимы их энергетической релаксации...............................................................................93

4.2. Наработка метастабильных атомов на фронте высокоскоростной волны ионизации и их роль в формировании пространственной структуры волны ионизации.................................................................................................................................100

4.3. Особенности распространения электромагнитных волн оптического диапазона в плазменных волноводах в частотной области вблизи узких резонансов....................110

Заключение.............................................................................................................129

Список использованной литературы................................................................132

ВВЕДЕНИЕ

Наносекундные электрические разряды являются эффективными источниками высокоэнергетичных электронов, формируемых в газовой среде в процессе электрического пробоя. Неравновесная плазма, создаваемая в таких устройствах, является аналогом плазменно-пучковых разрядов, перспективных с точки зрения практического применения в различных технологических устройствах, в частности, для накачки газовых лазеров, обработки поверхностей, в электронно-лучевых технологиях и др. В этой связи, актуальной фундаментальной проблемой газовой электроники является создание высокоэффективных газоразрядных систем, в которых пучки ускоренных электронов формируются непосредственно в самом газе в процессе электрического пробоя газа без использования внешних ускорителей электронов, громоздких систем дифференциальной откачки и ввода внешнего электронного пучка в газовую среду. К настоящему времени такие газоразрядные системы созданы и изучаются в целом ряде работ, посвященных генерации электронных пучков в разрядах с полым катодом, разрядах в коротких межэлектродных промежутках с использованием сетчатого анода, а также в протяженных разрядных промежутках на фронте волны ионизации.

К настоящему времени в циклах работ А.Н.Лагарькова, И.М.Руткевича [1], Э.И.Асиновского с сотрудниками [2,3], Л.М.Василяка с сотрудниками [4], А.Ю.Стариковского с сотрудниками [5,6] и др. детально изучены модели и механизмы формирования высокоскоростных волн ионизации (ВВИ) в коаксиальных экранированных разрядных трубках, определены скорости распространения волн ионизации, на фронте волны ионизации обнаружены высокоэнергетичные электроны и связанное с ними рентгеновское излучение, исследованы процессы распространения фронтов свечения.

выступают не только в качестве одного из каналов накопления энергии в среде, но и могут играть существенную роль в физических процессах на фронте ВВИ, оказать влияние на структуру фронтов волны ионизации и механизмы ее распространения.

Самостоятельный интерес представляет возможность получения протяженной среды с высокой плотностью метастабильных атомов при использовании коаксиальных плазменных волноводов в условиях формирования высокоскоростных волн ионизации. Здесь интерес, прежде всего, связан с возможностью создания плотных поглощающих сред с узкими резонансами, в которых свойства поглощающей среды можно управляемо изменять путем изменения характеристик ВВИ. В отличие от традиционных режимов формирования разряда и газоразрядной плазмы, в плазменных волноводах в условиях формирования, распространения и взаимодействия ВВИ возникают особые условия в плазме, а именно, значительные концентрации метастабильных атомов локализованы в области фронта ВВИ, распространяющейся в направлении от высоковольтного электрода к

8 9

заземленному со скоростью 10-10 см/с.

Объектом исследования являлись продольные высоковольтные наносекундные электрические разряды в длинных экранированных трубках (плазменных волноводах), в режиме формирования, распространения и взаимодействия высокоскоростных волн ионизации. Исследования проводились в инертных газах (гелий, аргон, неон) в диапазоне давлений

рабочего газа 1-100 Тор и амплитудах высоковольтных импульсов напряжения в диапазоне 20-50 кВ.

Задачи, решаемые в данной работе:

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследований:

Научная новизна. В работе впервые выполнено комплексное систематическое исследование режимов формирования структуры фронта ВВИ в плазменных волноводах, снабженных полыми электродами и наполненных инертными газами в широком диапазоне изменения условий в разряде, амплитуд и длительностей высоковольтных импульсов напряжения. Установлено, что при давлениях газа выше 5 Тор фронт ВВИ имеет цилиндрическую форму с локализацией области интенсивной ионизации газа вдоль внутренней поверхности разрядной трубки, при этом вдоль центра плазменного волновода степень ионизации газа минимальна. Впервые экспериментально обнаружено и исследовано формирование значительных концентраций метастабильных атомов вдоль центральных областей фронта ВВИ, в то время как оптическое излучение из этих областей практически не наблюдается. Показано, что механизм наработки метастабильных атомов в этой области связан с процессами фото- и электронного возбуждения атомов в результате выноса резонансного излучения и высокоэнергетичных электронов из области фронта ВВИ к центру плазменного волновода.

Впервые установлено, что при распространении широкополосного лазерного излучения в плазменном волноводе под углом к его оси нестационарный оптический спектр пропускания вблизи узких спектральных линий поглощения в неоне приобретает дисперсионный вид при плотностях метастабильных атомов, превышающих 1012 см"3.

Положения, выносимые на защиту:

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях: Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-11, г. Екатеринбург, 2005 г., ВНКСФ-12, г. Новосибирск, 2006 г.); Международная конференция «Наука и технологии: Шаг в будущее-2006» (Киев, 2006); V International Conference "Plasma Physics and Plasma Technology" (Minsk, Belarus, 2006.); IV, V, VI и VII Всероссийская конференция «Физическая электроника» (Махачкала, 2006, 2008, 2010 и 2012); Международная конференция «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2010); XXXVIII и XXXIX Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2011 и 2012).

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка цитируемой литературы.

состояний атомов. Проанализированы оптические процессы с участием метастабильных атомов.

Во второй главе дается описание экспериментальной установки и методик. комплексного исследования структуры и свойств высокоскоростных волн ионизации в плазменных волноводах. В качестве коаксиального плазменного волновода для формирования ВВИ использована разрядная трубка длиной около 50 см, внутренним диаметром 0.8 см, помещенная в алюминиевый экран диаметром примерно 2 см, снабженный двумя цилиндрическими полыми электродами. Для формирования ВВИ были использованы два типа генераторов высоковольтных импульсов напряжения (ГИН). Один из них был собран по трансформаторной схеме и вырабатывал два синхронизованных высоковольтных импульса напряжения регулируемой амплитуды до 40 кВ и длительностью по полувысоте около 80 не. Такой тип ГИН позволял формировать в плазменном волноводе две встречных ВВИ путем подачи высоковольтных импульсов напряжения на противоположные концы волновода.

Для исследования скоростей перемещения фронта электрического потенциала и фронта свечения ВВИ вдоль разрядной трубки установлены пять емкостных и пять оптических (в виде отрезков световодов) датчиков.

Попереч�