Исследование сильноточного разряда низкого давления с полым катодом в условиях генерации жесткого ультрафиолетового излучения

• Автор: Ландль, Николай Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 184 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1 Псевдоискровой разрядник. Общее описание
1.2 Механизм процессов в предпробойной стадии
1.3 Разряд в сильноточной стадии
1.4 Плазма в псевдоискровом разряднике как источник жесткого УФ
излучения
Выводы к Главе
Глава 2. Экспериментальная аппаратура и методика
2.1 Введение
2.2 Общая схема экспериментальной установки
2.3 Газоразрядная камера
2.4 Генераторы импульсного напряжения
2.5 Регистрация напряжения горения разряда
2.6 Способы инициирования разряда в основном промежутке
2.7 Регистрации жесткого УФ излучения
2.8 Регистрация пучков электронов
Выводы к Главе
Глава 3. Механизм переноса тока и временная структура пучков электронов в источнике жесткого УФ излучения с внешним запуском
3.1 Введение
3.2 Особенности экспериментальных методик при исследовании временной
структуры пучков электронов
3.3 Экспериментальные данные по динамике разряда и временной структуре пучков
электронов
3.4 Механизм переноса тока в тлеющем разряде с полым катодом
3.4.1 Описание модели и условие самоподдержания тока для плазмы в
катодном отверстии
3.4.2 Ток разряда
3.4.3 Условие прохождения электронного тока в направлении анода
3.4.4 Случай, когда рекомбинационные потери существенны
3.4.5 Баланс мощности для плазмы положительного столба
3.4.6 Предельный ток в режиме классического тлеющего разряда
3.4.7 Переход к сильноточному разряду
3.5 Особенности модели применительно к нестационарному режиму с высокой
плотностью тока
3.6 Механизм срыва тока в сильноточной стадии
Выводы к Главе
Глава 4. Исследование плазмы псевдоискрового разряда как источника жесткого УФ излучения
4.1 Введение
4.2 Особенности экспериментальных методик при исследовании параметров жесткого УФ излучения
4.3 Экспериментальные данные по выходу жесткого УФ излучения из плазмы псевдоискрового разряда
4.4 Исследование свечения разряда с пространственным'и временным разрешением и динамики формирования излучающей области
4.5 Интерпретация результатов по условиям горения разряда и формированию излучающей области
4.5.1 Общие подходы, используемые для описания осциллограмм тока и напряжения на промежутке
4.5.2 Модель сжатия тонкой оболочки без учета давления внутри канала
4.5.3 Результаты расчета по модели сжатия тонкой оболочки и противоречия с экспериментом
4.5.4 Модель развития разряда в промежутке в условиях генерации жесткого УФ излучения
Выводы к Главе
Глава 5. Методы повышения пробивного напряжения и процесс восстановления электрической прочности основного промежутка
5.1 Введение
5.2 Способы увеличения напряжения статического и импульсного пробоев основного промежутка
5.2.1 Исследование проблемы снижения напряжения статического пробоя с увеличением частоты следования импульсов
5.2.2 Принцип действия системы с блокирующими электродами
5.2.3 Исследование эффекта блокировки
5.3 Процесс восстановления электрической прочности основного промежутка
5.3.1 Особенности экспериментальных методик при исследовании процесса восстановления электрической прочности основного промежутка
5.3.2 Измерения для разряда в ксеноне
5.3.3 Измерения для разряда в кислороде
5.3.4 Измерения для разряда в смесях ксенона и кислорода
5.4 Измерения для разряда при увеличенном токе
Выводы к Главе
Заключение
Список литературы

Введение
Предметом исследований настоящей работы является так называемый псевдоискровой разряд применительно к проблеме генерации жесткого ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн (11 - 13) нм. Сам термин «псевдоискровой разряд» и «псевдоискровые разрядники» (“pseudospark switches”) был введен в работах [1-3], и сейчас этот термин получил распространение особенно в зарубежных публикациях [4-5]. На самом деле, термин «псевдоискровой» скорее применим к системе электродов разрядника и к самому разряднику. Как будет видно из дальнейшего рассмотрения псевдоискровой разряд это, по сути, импульсный сильноточный разряд низкого давления с полым катодом, а иногда и полым анодом.
Разрядник такого типа представляет собой коммутирующий прибор с холодным катодом на основе газового разряда низкого давления в системе полых электродов. Эти приборы рассматриваются как альтернатива по отношению к тиратронам, игнитронам и другим разрядникам в условиях, где требуется крутой фронт нарастания тока (до 1012 А/с) и малый разброс по временам запаздывания пробоя. Наряду с параметрами, доступными для обычных импульсных водородных тиратронов, данные разрядники позволяют коммутировать экстремально высокие токи (на уровне 100 кА) при малых габаритах прибора и высокой крутизне нарастания импульса.
Во многом условия работы разрядника и конструкция сходны с тиратроном. В типичных схемах включения разрядников анод находится под высоким потенциалом, а катод заземлен. Внутри катодной полости располагается узел запуска. Поэтому прибор можно назвать тиратроном с заземленной сеткой. Однако в отличие от тиратрона ток разряда замыкается не на накаленный, а на холодный катод.
Внешне разрядник представляет собой диэлектрический цилиндр высотой (10 - 20) см и диаметром (3 - 15) см. Электроды разрядника размещаются внутри диэлектрического цилиндра, а их контакты выведены наружу цилиндрического стакана в виде фланцев. Обычно катод и анод разрядника выполнены в виде полостей, сообщающихся между собой посредством одного, а чаще нескольких отверстий. За счет большого количества отверстий достигаются умеренные плотности тока через каждое из отверстий, за счет чего эрозия электродов значительно снижается. Диаметры отверстий сопоставимы с длиной основного зазора, и составляют несколько миллиметров. Вообще, геометрия электродов может быть довольно разнообразной. Типичное давление газа в разрядниках р = (КГ1 - КГ3) Тор. В качестве рабочего газа обычно используется водород, гелий, азот, воздух.
В настоящее время существует большое количество прототипов разрядников различной конструкции и с различными методами запуска [1, 4, 5, 7-9]. Большинство исследователей имеют дело разборными экспериментальными устройствами. Однако имеются впечатляющие результаты как в разработке металлокерамических изоляторов и узлов запуска с высоким ресурсом работы применительно к

Идея, что процессы автоэлектронной эмиссии играют некоторую роль в различных типах газового разряда, долго исследовалась. В частности, основываясь на этой идее, авторы [96] объяснили отклонение пробивного напряжения от закона Пашена в области высоких давлений газа, где классический критерий для самопробоя не действует. В дальнейшем эти рассуждения были применены для описания перехода из тлеющего разряда в дуговой [97].
Подход к описанию области катодного падения напряжения в тлеющем разряде высокого давления с учетом процессов автоэлектронной эмиссии был развит в [82] и [98]. Предполагалось, что катодная поверхность имеет локальные микрообласти с усиленной электронной эмиссией, и предлагался метод по расчету средней плотности тока автоэлектронной эмиссии. Затем элекгронный ток записывался как сумма классического тока за счет у процессов и тока, обеспеченного автоэлектронной эмиссией.
Результаты аналитического решения проблемы показывают [17], что для критической плотности тока разряда вольтамперная характеристика катодного слоя становится скорее падающей чем растущей, то есть катодный слой становится нестабильным по отношению к флуктуации плотности тока. Причина этой нестабильности связана с тем, что коэффициент у возрастает с ростом плотности тока. Ввиду того, что нестабильность развивается, средний ток автоэлектронной эмиссии, и плотность ионного тока возрастают со временем. Критическая средняя плотность тока тлеющего разряда, при которой нестабильность начинает развиваться, сильно зависит от состояния катодной поверхности. В частности, эта плотность тока может соответствовать электрическому полю на поверхности катода начиная с Ес = 105 В/см для шероховатого катода [82].
Развитие нестабильности фактически означает переход от катодного слоя с равномерной у эмиссией к слою, в котором эмиссия из локальных катодных областей и ионный ток на эти области чрезвычайно усилены. Это приводит к микровзрывам катодной поверхности, то есть к появлению взрывного эмиссионного центра.
Известно, что процесс взрывной электронной эмиссии инициирует появление катодного пятна. Однако появление самого первого микровзрыва на фоне тлеющего разряда еще не означает, что тлеющий разряд немедленно переходит в дуговой, особенно если мы имеем дело с наносекундным масштабом времени. Для того чтобы катодное пятно было стабильным, оно должно поддерживаться некоторым значением тока, которое выше чем критический ток дуги. Когда большое количество центров микровзрывов одновременно появляются на катодной поверхности, полный ток разряда распределяется между ними. В результате такой конкуренции не существует достаточного тока для стабильной работы единичного центра на катоде. Тогда ток продолжает равномерно распределяться по поверхности катода. Этот режим экспериментально наблюдался в импульсном тлеющем разряде в газоразрядных лазерах [60]. В результате микровзрывов вблизи поверхности катода появляются