Влияние поперечного магнитного поля на кинетику наносекундного разряда в коротких межэлектродных промежутках в гелии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

1 О } ' * ;;"

Ч :.J < f "> /ч. 1

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 533.9:537.525

Таибов Калабег Таибович

ВЛИЯНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА КИНЕТИКУ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА В КОРОТКИХ МЕЖЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОМЕЖУТКАХ В ГЕЛИИ

Специальность: 01.04.04. - физическая электроника

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Омаров O.A. кандидат физико-математических наук, доцент Ашурбеков Н. А.

Махачкала 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение_ 4

ГЛАВА I. Влияние магнитного поля на характеристики плазменно-

пучкового разряда в инертных газах (лит. обзор)_ 15

1.1. Плазма газового разряда с жесткой составляющей электронной компоненты_ 15

1.2. Влияние магнитного поля на электрокинетические характеристики разряда_ 23

1.3. Влияние внешнего магнитного поля на излучателъные характеристики разряда_ 33

ГЛАВА II. Экспериментальная аппаратура и методы исследования 42

2.1. Методика измерения электрических параметров наносекундных разрядов в инертных газах_ 42

2.2. Методика исследования характеристик оптического излучения наносекундного разряда_49

ГЛАВА III. Экспериментальные исследования наносекундного разряда в коротких межэлектродных промежутках_ 62

3.1. Электрические характеристики наносекундного разряда в гелии в коротких межэлектродных промежутках_62

3.2. Спектроскопия наносекундного разряда в коротких межэлектродных промежутках в поперечном магнитном поле в гелии__73

ГЛАВА IV. Кинетика наносекундного разряда в гелии в поперечном

магнитном поле_ 89

4.1. Кинетика заряженных частиц в катодном слое наносекундного высоковольтного разряда в гелии в поперечном магнитном поле_ 90

4.2. Механизм поляризации спонтанного излучения в наносекундном разряде в гелии_101

4.3. Кинетика возбужденных атомов в поперечном магнитном поле в наносекундных разрядах в гелии_106

Заключение_125

Литература_12 7

ВВЕДЕНИЕ

Плотная плазма, полученная с помощью того или иного жесткого ионизатора, представляет интерес в связи с широким ее применением в качестве активной среды лазеров, а также в других газоразрядных устройствах. Стремление улучшить энергетические характеристики газовых лазеров привело к широкому использованию для их накачки электронных пучков [1-3]. КПД и удельный энергосъем таких лазеров в ряде случаев несколько (даже на порядок) выше, чем при газоразрядной накачке. Однако, необходимость вакуумной изоляции ускорительного промежутка от лазерной кюветы порождает ряд сложностей при вводе энергии электронного пучка в активный объем. Помимо этого, использование высоковольтной импульсной техники значительно усложняет конструкцию лазеров и делает их малонадежными. В этом направлении наиболее перспективным оказался способ создания пучков в самой активной среде при плотности газа в ускорительном промежутке, соответствующем рабочему давлению лазерной смеси [4,5].

Генерирование пучка в газе с высокой плотностью возможно при обеспечении условий эффективного перевода электронов в режим "убегания" [6,7], когда под действием сильного внешнего электрического поля, несмотря на многочисленные столкновения с атомами газа, они приобретают на длине свободного пробега энергии, во много раз превышающую энергию, теряемую при одном столкновении. При этом одной из актуальных является задача управляемого изменения характеристик такой плазмы. Одним из таких возможностей является наложение внешнего магнитного поля. Имеющиеся в литературе работы в этом направлении, в основном посвящены изучению тлеющего разряда в скрещенных Е и В полях, например в коаксиальной геометрии [8,9]. Значительная часть этих исследований посвящена изучению

положительного столба разряда. Лишь немного работ [10,11], в которых изучаются свойства приэлектродных, в частности, прикатодных слоев в поперечном магнитном поле. В литературе также, насколько нам известно, отсутствуют работы, посвященные исследованию влияния внешнего магнитного поля на оптические характеристики плазмы, образованной быстрыми электронами, формируемыми в

высоковольтном импульсном разряде.

Недостаточно изученным является также механизм ионизации и возбуждения в катодных частях импульсного разряда в инертных газах во внешнем магнитном поле. Теоретические исследования таких разрядов крайне затруднены как из-за нестационарности и анизотропии плазмы, так и из-за большого числа учитывающих процессов.Поэтому получение надежных экспериментальных данных об основных параметрах пучковой плазмы в магнитном поле, таких как электрокинетические характеристики (пе , Те), населенности возбужденных состояний атомов, выяснение механизмов ионизации и возбуждения в катодных частях наносекундного импульсного разряда и сочетание методов теоретического и экспериментального исследования является весьма актуальной задачей.

Цели диссертационной работы:

1. Дальнейшее развитие методики исследования наносекундных разрядов пучкового типа во внешнем магнитном поле.

2. Комплексное исследование влияния поперечного магнитного поля на характеристики разряда плазменно-пучкового типа в коротких промежутках. Выяснение механизма влияния поперечного магнитного поля на электрические, оптические, спектральные характеристики таких разрядов в гелии в диапазоне давлений газа 5-100 Тор.

3. Экспериментальное и теоретическое исследование кинетики образования и распада пучковой плазмы в коротких промежутках при наложении внешнего постоянного поперечного магнитного поля.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи в данной работе применялись следующие методы:

для исследования электрических характеристик импульсного наносекундного разряда использован осциллографический метод с временным разрешением ~ 1 не;

- в целях выявления роли состояния поверхности диэлектрических стенок разрядной трубки в формировании начальных стадий разряда использован масс-спектрометрический метод определения состава адсорбированных газов, и изучение диэлектрических свойств материала стенки во время его облучения электронными пучками;

- оптические и спектральные характеристики исследовались методами лучеиспускания, полного поглощения и поляризационной спектроскопии.

Научная новизна:

1. Выполнены комплексные экспериментальные исследования электрических и спектральных характеристик наносекундного разряда в гелии в коротких межэлектродных промежутках в поперечном магнитном поле.

2. Установлено, что в частотно-периодическом режиме основному пробою газа в диэлектрической трубке предшествует несамостоятельная фаза длительностью в несколько не , обусловленная переносом заряда, осажденного на стенках разрядной трубки. Выяснена роль влияния состояния поверхности диэлектрических стенок разрядной трубки на процессы формирования ускоренных электронов в объемном наносекундном высоковольтном импульсном разряде в коротких промежутках.

3. Впервые проведен детальный анализ интенсивных и поляризационных профилей спонтанного излучения наносекундного разряда в коротких промежутках. Показано, что частичная линейная поляризация спонтанного излучения такого разряда связана с анизотропией процессов электронного возбуждения.

4. Прослежена кинетика возбужденных, в том числе метастабильных атомов в наносекундном разряде в поперечном магнитном поле. Установлено, что в коротких межэлектродных промежутках существенную роль в изменении оптических свойств разряда играет изменение толщины катодного слоя в поперечном магнитном поле.

Практическая ценность работы. Разработанные в работе методики исследования могут быть использованы для диагностики других типов разрядов при наличии внешнего магнитного поля. Результаты, полученные в диссертационной работе, важны для понимания процессов, протекающих в наносекундных плазменно - пучковых разрядах в коротких промежутках в условиях анизотропии функции распределения электронов по скоростям и наличия внешнего поперечного магнитного поля.

Полученные результаты по кинетике возбужденных атомов могут быть использованы при разработке эффективных газоразрядных источников оптического излучения, в том числе и газовых лазеров. Апробация работы. Результаты работы докладывались на XX Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Pisa, Italy, 1991), на II Международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям ( Минск, 1997), на региональной научно-практической конференции по физике межфазных явлений (Нальчик, 1998), на IX конференции по физике газового разряда

(Рязань, 1998), и на конференции ФНТП-98 "Плазма XX век" (Петрозаводск ,1998).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Общий объем диссертации 139 страниц, включая 29 рисунков и 9 таблиц. Библиография содержит 127 наименований.

Содержание работы

В введении рассмотрена актуальность поставленной проблемы, дано обоснование выбора темы диссертационной работы, перечислены решаемые в работе задачи , кратко изложены основные результаты работы.

В первой главе приведен обзор литературных данных об исследовании плазмы газового разряда с жесткой составляющей электронной компоненты . Обосновывается вывод о том, что пучок быстрых электронов образуется на стадии формирования разряда и возможно его существование в стадии коммутации в зависимости от условий среды. Отдельно рассмотрены работы, в которых изучается влияние поперечного магнитного поля на функцию распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) и оптические излучения разрядов. Проведенный анализ показывает, что достаточно подробно изучено формирование быстрых электронов в процессе пробоя газа, однако практически нет исследований влияния поперечных магнитных полей на электрические и оптические свойства наносекундных разрядов.

Вторая глава содержит описание разработанных методик, позволяющих методами лучеиспускания, поглощения и поляризационной спектроскопии измерять временные зависимости концентраций метастабильных атомов, интенсивные и поляризационные

профили спектральных линий в поперечном магнитном поле в исследуемом разряде. Описаны также методы измерения падения напряжения и тока разряда с временным разрешением ~1 не и методика исследования диэлектрических свойств материала стенки разрядной камеры после воздействия электронных потоков. Состав адсорбированных газов определялся масс-спектрометрическим методом, а осаждение заряда на поверхности диэлектрика оценивалось путем измерения tg5-диэлeктpичecкиx потерь диэлектрика в период и после облучения электронным пучком.

В качестве объекта исследований была выбрана гелиевая плазма, образованная наносекундным разрядом в диэлектрических трубках. Измерения проводились в диапазоне давлений инертного газа (5-100 Тор) в разрядных трубках диаметроми 1-2 см и межэлектродным расстоянием 0,4-1 см. Генератор высоковольтных импульсов напряжения был собран по трансформаторной схеме, где в качестве коммутирующего устройства использовался керамический тиратрон с водородным наполнением типа ТГИ1 1000/25. Импульсный трансформатор с ферритовым сердечником содержал 4 витка в первичной обмотке и 12 витков во вторичной обмотке.

Поперечное магнитное поле создавалось с помощью постоянных магнитов с напряженностью магнитного поля в межэлектродном зазоре 4 кЭрст.

Для определения концентрации метастабильных атомов методом реабсорбции оптического излучения рассчитаны зависимости полного поглощения А от %о1 с учетом тонкой структуры и расщепления уровней Не в поперечном магнитном поле. Для снятия спектральных поляризационных характеристик спонтанного излучения разряда производилась градуировка оптического тракта по неполяризованному излучению от лампы накаливания.

В третьей главе приводятся результаты измерения электрических, оптических, спектральных и поляризационных характеристик разряда пучковой плазмы как при наличии магнитного поля, так и без него.

Обработав экспериментальные данные в широком диапазоне давлений газа (5-100 Тор) и напряжений (2-6 кВ) получены характерные зависимости приведенной плотности тока j/p2 от параметра Е/р для первого и второго максимума импульса тока в магнитном поле и без него. Экспериментально показано, что в магнитном поле кривая j/p2 смешается в сторону меньших значений Е/р и выполняется закон подобия.

Детально экспериментально исследованы начальные стадии разряда и выяснена роль состояния диэлектрических стенок разрядной трубки в процессе формирования разряда.

Показано, что амплитуда кратковременного пика, предшествующего основному импульсу тока, существенно уменьшается с увеличением диаметра разрядной трубки. В связи с этим приводились экспериментальные исследования tg8-flroneKTpH4ecKHx потерь стенок после облучения электронным пучком. Делается вывод о том, что особенности на температурной зависимости tg8^roneKTpH4ecKHX потерь связаны с выделением осажденного на поверхности диэлектрика заряда.

Результаты оптических и спектральных измерений приведены во втором параграфе гл.З. Для линий Hei с главными квантовыми числами с п=3,4,5 исследованы зависимости интенсивности излучения Hei на различных спектральных линиях от давления и от напряжения газа как в поперечном магнитном поле, так и без него. Соотношение между интенсивностью излучения при наличии магнитного поля и без него зависело как от давления, так и от напряжения. При малых напряжениях и больших давлениях интенсивность излучения на всех исследованных линиях в магнитном поле меньше, чем без магнитного поля. При

снижении давления газа наблюдается обратное соотношение. Например, при Цо~ 3 кВ при давлениях 5-40 Тор в поперечном магнитном поле интенсивность больше, чем без него. Дальнейшее увеличение напряжения (более 5 кВ) приводит к изменению механизма образования плазмы и структуры разряда. (На импульсе тока и напряжения появляются колебания с частотой ~ ЗЛО7 Гц). Максимум излучения, соответствующий поздним стадиям разряда, в магнитном поле на всех линиях растет и смещается ближе к концу импульса тока.

Методом полного поглощения на спектральном переходе Не1 (Х=388,9 нм) исследована динамика заселения метастабильных уровней Не1(238) в поперечном магнитном поле. Экспериментально получено, что концентрация метастабильных атомов в максимуме без внешнего магнитного поля с ростом давления растет. Например, увеличение давления газа с 15 до 30 Тор приводит к росту концентрации метастабильных атомов, а дальше до 50 Тор наблюдается плато, которое переходит в дальнейший рост с увеличением давления. При этом максимальные значения плотности метастабилоных атомов имеют величину порядка 1014 см -3. В магнитном поле зависимость плотности метастабильных атомов слабо зависит от давления газа. Это говорит об изменении механизма заселения метастабильных уровней и структуры разряда.

В §3.2 приведены экспериментальные результаты исследования поляризационных и интенсивных профилей спектральных линий атомов гелия. Экспериментально установлено , что наложение поперечного магнитного поля приводит к изменению интенсивностей излучения от 10 до 15 % в зависимости от давления газа и амплитуды напряжения. Кроме того показано, что спонтанное излучение разряда частично поляризовано. Степень линейной поляризации оказывается различной

как на разных спектральных линиях, так и из разных участков разрядного промежутка.

Четвертая глава посвящена анализу влияния поперечного магнитного поля на электрокинетические, оптические, спектральные и поляризационные характеристики наносекундного разряда в гелии в коротких межэлектродных промежутках.

В §4.1 дан анализ времен формирования и толщин катодного слоя и изменение этих параметров во внешнем поперечном магнитном поле. Получены зависимости толщины катодного слоя и катодного падения от напряженности магнитного поля. Увеличение приведенной плотности тока разряда во внешнем магнитном поле объясняется задержкой движения электронов через слой катодного падения потенциала.

Особенности поляризации спонтанного излучения проанализированы в § 4.2. Дана оценка вклада электрического поля в степень линейной поляризации и сделан вывод о доминирующей роли анизотропии процессов электронного возбуждения.

В §4.3 на основе теории модифицированного диффузионного приближения проанализирована кинетика возбужденных атомов в поперечном магнитном поле. Влияние магнитного поля учитывалось в уравнении для средней энергии электронов путем введения изменения частоты столкновений электронов с атомами.

Численно �