WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 11 04;07;12 Излучение объемного разряда в элегазе, инициируемого прилипательной неустойчивостью плазмы © А.К. Шуаибов, И.В. Шевера Ужгородский национальный университет, 88000 Ужгород, Украина e-mail: ishev@univ.uzhgorod.ua (Поступило в Редакцию 9 апреля 2002 г.) Представлены результаты исследования оптических характеристик плазмы объемного разряда низкой плотности в SF6. Разряд формировался в системе электродов „сферический анод–плоский катод“ за счет развития прилипательной неустойчивости.

Установлено, что при подаче на анод постоянного напряжения (Uch 1.3kV) в разрядном промежутке, не ограниченном диэлектрическими стенками, зажигается импульсно-периодический разряд ( f = 0.1-120 kHz).

Исследовались пространственные, частотные и вольт-амперные характеристики объемного разряда, излучение плазмы в спектральной области 200-700 nm, а также осциллограммы напряжения, тока и излучения плазмы.

Показано, что исследуемая плазма существует в форме домена (автосолитона), а объемный разряд является самоинициирующимся, так как в нем роль коммутатора при работе в импульсно-периодическом режиме выполняет сама плазма, находящаяся в режиме прилипательной неустойчивости.

Полученные результаты представляют интерес для применения в физике и технике электроразрядных химических HF(DF) лазеров на нецепных реакциях, а также при разработке широкоапертурной импульснопериодической лампы низкого давления на фторидах Ar, Kr и Xe с малоагрессивной рабочей средой (смеси атомов Ar, Kr, Xe с молекулами SF6 при низком давлении).

Введение смеси. Рабочая среда таких ламп малоагрессивна, что допускает работу в проточном режиме, упрощает техК исследованию характеристик и физических процес- нологию изготовления подобных источников излучения сов в объемном разряде на основе элегаза и в некоторых и расширяет область их использования.

его газовых смесях (SF6 / H2, SF6 / C2H6 и др.) в наПредварительные исследования характеристик объемстоящее время наблюдается повышенный интерес. Это ного разряда в хлоре и фреоне-12 показали, что при обусловлено получением высоких выходных характериподаче на анод постянного напряжения в разрядном стик электроразрядных HF(DF) лазеров на нецепных промежутке зажигался импульсно-периодический разряд химических реакциях, основным компонентом рабочей ( f = 0.1-50 kHz). С увеличением энергии электронного среды которых является элегаз [1–3]. Последние разсродства к электроотрицательной молекуле ток в имработки таких лазеров вызвали появление ряда работ пульсе увеличивался (с 0.1-0.5A) и достигал 3-5A по изучению характеристик импульсно-периодических при длительности импульса тока 50 ns. Поэтому объемных разрядов в элегазовых смесях [4,5]. Получес целью увеличения импульсных токов и управлением ние импульсно-периодических разрядов в смесях SF6 другими параметрами самоинициирующихся разрядов с инертными и углеводородными газами, а также вопредставляет интерес исследование еще более электродородом осуществляется генераторами высоковольтного отрицательной рабочей среды на основе молекул SF6. Раимпульсного напряжения с емкостными или индуктивнее прилипательная неустойчивость нами наблюдалась ными накопителями энергии. Коммутация напряжения в генерационной зоне многоэлектродного коронного в подобных устройствах проводится с использованием разряда на смесях инертных газов с молекулами фтора искровых разрядников или водородных тиратронов, ко(P = 100-300 kPa) [7].

торые имеют ограниченный ресурс работы, значительВ настоящей работе приведены характеристики имные габариты, а в некоторых случаях и автономную пульсно-периодического объемного разряда в элегазе, газовую систему для продува рабочей среды (искрокоторый инициируется прилипательной неустойчивовые разрядники). Исходя из этого, в настоящее время стью плазмы низкой плотности.

актуальным является поиск новых способов получения импульсно-периодических объемных разрядов в элегазе и его смесях с другими молекулами. Молекулы SF6 Техника и условия эксперимента могут также применяться в составе рабочей среды электроразрядной эксимерной лампы [6], которая в отличие Эксперименты проводились на установке, состоящей от соответствующих ламп на основе молекулярного фто- из системы электродов, разрядной камеры, источника ра имеет повышенный ресурс работы на одной газовой постоянного напряжения и системы регистрации элек9 130 А.К. Шуаибов, И.В. Шевера Рис. 1. Система электродов и вид поперечного сечения плазмы объемного разряда при давлении элегаза 40 (a), 200 (b), 600 Pa (c) и емкости импульсного конденсатора C0 = 200 pF: анод (А), катод (К), высоковольтный выпрямитель (1), балластное сопротивление (R), положительный столб (2), отрицательное катодное свечение (3).

трических и оптических характеристик объемного раз- к собственной емкости системы электродов и паразитряда. Система электродов (рис. 1) включала массивный ной емкости монтажа (C 0 20 pF) и входной емкости дюралюминиевый анод диаметром 7 cm со сферической делителя напряжения (C0 = 200 pF) дополнительно рабочей поверхностю и плоский анод диаметром 9 cm. включался набор из малоиндуктивных конденсаторов Радиус закругления рабочей поверхности анода равнял- суммарной емкости C1 = 680 pF.

ся 3 cm. Межэлектродное расстояние 2.8 cm. Постоянное напряжение положительной полярности (Uch 1.3kV) Пространственные и электрические подавалось на анод через ограничительное сопротивлехарактеристики ние 20 k. Давление элегаза технической чистоты варьировалось в диапазоне 400-600 Pa. Величина среднего Статическое распределение яркости излучения плазтока разряда находилась в пределах 2-50 mA. Система мы в межэлектродном промежутке контролировалось электродов крепилась на фланце из стеклотекстолита путем фотографирования разряда. Результат реконструки устанавливалась в разрядной камере объемом 10 l. Кации излучения плазмы элегаза, полученный при обработмера с системой электродов откачивалась до остаточноке фотографии на сканере и персональном компьютере, го давления воздуха 3-5 Pa и герметически соединялась представлен на рис. 1. При низком давлении элегаза с вакуумным монохроматором через LiF окно. Спек(P 40 Pa) разряд занимал большую часть поперечного тральное разрешение вакуумного монохроматора — сечения межэлектродного промежутка за исключением 0.7 nm. Монохроматор совместно с фотоумножителем его центрального участка, где величина параметра E/N ФЭУ-142 (у которого входное окно из LiF) были промаксимальна (рис. 1, a). Диаметр плазмы отрицательного калиброваны по относительной спектральной чувствикатодного свечения (ОКС) в 1.5-2.0 раза превышал тельности в диапазоне длин волн 130-350 nm. В экспенаибольшй из диаметров плазмообразования. С увелирименте регистрировалось также суммарное излучение плазмы при помощи импульсного фотоумножителя „Фо- чением P(SF6) до 200 Pa объем положительного столба (ПС) уменьшался примерно в два раза. При еще больтон“ и широкополосного импульсного осциллографа шем давлении элегаза он еще сильнее уменьшался, а его С1-99. ФЭУ „Фотон“ устанавливался напротив входной форма значительно изменялась (рис. 1, c).

щели вакуумного монохроматора, так, что примерно посредине между ними находилась исследуемая плаз- ВАХ объемного разряда представлены на рис. 2.

Статическая ВАХ исследуемого разряда (рис. 2, a) была ма. Импульсное излучение плазмы регистрировалось из спектральной области 200-700 nm с точностью 7-10 ns. подобна к ВАХ поднормального продольного тлеющего Частота повторения импульсов излучения определялась разряда постоянного тока [8,9]. С увеличением Ich от при помощи осциллографа С1-99 и частотомера Ч 3-57. до 50 mA средняя величина спада напряжения на проРегистрация осциллограмм переменной составляющей межутке уменьшалась с 1.3 до 1.05 kV. Принципиально напряжения на промежутке анод–катод проводилась другой характер зависимости между величиной U и I с использованием малоиндуктивного емкостного дели- (динамическая ВАХ) для тех же условий эксперимента теля, а для измерения импульсов тока применялся получен для зависимости между мгновенными значенималоиндуктивный токовый шунт (r = 1-5 ). С целью ями напряжения и тока (рис. 2, b). В начальный момент исследования влияния величины емкости конденсатора, времени, когда плазма домена еще только формируется, шунтирующего разрядный промежуток, на амплитуду, ток разряда увеличивается с ростом напряжения на длительность и частоту следования импульсов разряда, промежутке до 29 A. В дальнейшем ток спадает, что приЖурнал технической физики, 2002, том 72, вып. Излучение объемного разряда в элегазе, инициируемого прилипательной неустойчивостью плазмы Рис. 2. Статическая и динамическая ВАХ объемного разряда при P(SF6) =400 Pa и C0 = 220 pF.

водит к образованию на ВАХ области с отрицательным пространения домена в промежутке анод–катод может наклоном. Такой вид динамической ВАХ типичный для быть определена по длительности переднего фронта плазмы, находящейся в режиме развитой прилипатель- импульса тока и величине межэлектродного расстояной неустойчивости [10]. ния [11]. Для условий, приведенных на рис. 3, она составляет 4 · 107 cm / s.

Рассмотрим влияние на импульсные характеристиОптические характеристики ки объемного разряда величины емкости конденсатора, шунтирующего межэлектродный промежуток. На Исследование спектров излучения плазмы объемного рис. 4 приведены осциллограммы тока и суммарного разряда в элегазе показало, что основными в УФ обизлучения плазмы при фиксированном P(SF6) и разласти длин волн являются полосы излучения молекул ных величинах емкости шунтирующего конденсатора.

примесей: 2-й положительной, третьей системе Каплана Увеличение этой емкости приводило к значительному + N2(A3 -E) и 4-й позитивной системы полос молекулы u росту амплитуды импульса тока (более чем в три раза) + N2(B3 -D3 ), OH(A-X) и CN(B-X). Это связано g u и его длительности в два раза. При этом скорость с присутствием в SF6 малых примесей воздуха и паров распространения домена в межэлектродном промежутке воды на уровне 1-2 Pa и остаточным давлением воздуха уменьшалась с 6· 107 до 3· 107 cm / s. Импульс излучения в разрядной камере (P1 5Pa). Из-за сильного припри увеличении емкости шунтирующего конденсатора липания медленных электронов к молекулам SF6 и SF5 сдвигался по времени с переднего фронта импульса (радикалы SF- эффективно образуются при диссоциации тока в область его максимума (рис. 4). На рис. 3 и молекул SF6 в разряде) наиболее эффективно возбуждаприведены только наиболее характерные осциллограмлись высоко лежащие состояния азота, что приводило мы, как правило, только с максимальной величиной к преобладанию в излучении полос с = 337.1nm, амплитуды импульса, но в эксперименте наблюдался 357 nm N2(C-B) из 2-й положительной системы N2.

Осциллограммы спада напряжения на разрядном промежутке, тока разряда и суммарного излучения плазмы на основе элегаза приведены на рис. 3. Как следует из рис. 3, режим исследуемого разряда является импульсно-периодическим. При величине постоянного напряжения на аноде 1.0-1.3 kV амплитуда импульсного напряжения достигает 4 kV. Импульс напряжения имел короткий передний ( 50-100 ns) и затянутый до 1.3 µs задний фронт. Импульс тока формировался на протяжении переднего фронта импульса напряжения и имел длительность (по основанию осциллограммы) 75-150 ns. Длительность импульса излучения достигала 400-500 ns. Излучение достигало своего максимального значения по времени в ближнем послесвечении главного максимума импульса тока, что может быть связано с рекомбинационным или ступенчатым механизмами Рис. 3. Осциллограммы напряжения (1), тока (2) и суммаробразования излучающих частиц плазмы. Скрость рас- ного излучения плазмы (3) при P(SF6) =200 Pa и C0 = 220 pF.

9 Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 132 А.К. Шуаибов, И.В. Шевера шалась при этом более чем на порядок. Шунтирующий конденсатор в данном сулчае служил в качестве емкостного накопителя энергии, а сама плазма объемного разряда использовалась как коммутатор импульсного напряжения.

Выводы Таким образом, исследование самоинициирующегося импульсно-периодического объемного разряда в элегазе показало, что его плазма является доменом (набором автосолитонов), формирование которого связано с развитием прилипательной неустойчивости, на что указывает участок с отрицательным наклоном динамической ВАХ объемного разряда; плазма излучает в УФ-ВУФ области длин волн на электронно-колебательных переходах молекул-примесей (N2, OH и др.); шунтирование разрядного промежутка дополнительным конденсатором емкоРис. 4. Осциллограммы тока (1) и излучения плазмы объемстью C0 20-900 nF позволяло в широких пределах ного разряда (2) при P(SF6) =200 Pa и C0 20 (a), 220 pF (b).

управлять амплитудой и длительностью импульсов тока и излучения разряда, частотой повторения импульсов, а также скоростью движения доменов в межэлектродном промежутке; на основе объемного разряда в элегазе и его смесей инертными и углеводородными газами возможна разработка высокочастотного коммутатора, эксимерной лампы низкого давления и активного элемента высокочастотного HF лазера или усилителя.

Список литературы [1] Борисов В.П., Бурцев В.В., Великанов С.Д., Воронов С.П.

и др. // Квантовая электрон. 2000. Т. 30. № 3. С. 225–228.

[2] Лажинцев Б.В., Нор-Аревян, Селемир В.Д. // Квантовая Рис. 5. Зависимость частоты следования импульсов тоэлектрон. 2000. Т. 30. № 1. С. 7.

ка объемного разряда от величины среднего тока при [3] Тарасенко В.Ф., Орловский В.М., Панченко А.Н. // КванP(SF6) = 200 Pa, C0 20 pF (1), 600 Pa, C0 20 pF (2) товая электрон. 2001. Т. 3. № 12. С. 1035–1037.

и 200 Pa, C0 = 900 pF (3).

[4] Бычков Ю.И., Горчаков С.Л., Ястремский А.Г. // Квантовая электрон. 2000. Т. 30. № 8. С. 733–737.

[5] Аполлонов В.В., Белевцев А.А., Казанцев С.Ю., Сайфулин А.В. и др. // Квантовая электрон. 2000. Т. 30. № 3.

достаточно широкий набор осциллограмм U, I, JF (до С. 207–228.

10-15 синхронизированных по времени осциллограмм), [6] Шуаибов А.К., Шевера И.В. // ЖПС. 2002. Т. 69. № 1.

амплитуды которых подчинялись определенным дисперС. 113–115.

сионным соотношениям, как и для автосолитонов других [7] Shuaibov A.K., Shimon L.L., Minya A.J. // J. Phys. Stud. 2000.

типов [12].

Vol. 4. N 3. P. 291–297.

На рис. 5 представлены характерные зависимости [8] Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.

частоты следования импульсов от величины среднего 592 с.

тока объемного разряда при разных P(SF6) и различной [9] Александров В.П., Напартович А.П. // УФН. 1993. Т. 163.

емкости шунтирующего конденсатора. В большинстве №3. С. 1–26.

случаев величина частоты следования импульсов линей- [10] Голубев В.С., Пашкин С.В. Тлеющий разряд повышенного но возрастала с увеличением среднего тока разряда. давления. М.: Наука, 1990. 334 с.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.