|
|
|
|
Возникновение, эволюция и филаментация искровых каналов в атмосферном разряде
Докладчик(и): Паркевич Е.В. (ФИАН, МФТИ) Дата, время проведения: 26 апреля (чт) 15:00 Адрес: Ижорская 13 с2 к224 В данной работе представлены результаты исследования процесса формирования и эволюции искровых каналов с высоким пространственным и временным разрешением в воздухе атмосферного давления. Исследования проводились на установке, сочетающей в себе высоковольтный генератор, запускаемый от поджигающего лазерного пучка с джиттером ~ 1 нс, и диагностики на основе многоканального лазерного зондирования. Для реализации лазерного зондирования была разработана 6-канальная 18-кадровая оптическая система регистрации, позволяющая в каждом канале одновременно регистрировать интерферограммы, теневые и шлирен-изображения разрядного промежутка. Время экспозиции каждого кадра соответствовало времени зондирования – 70 пс на длине волны 532 нм. Пространственное разрешение оптической системы составляло ≈ 3–4 мкм. Среднее время задержки между каналами ≈ 2 нс. Исследования атмосферного разряда проводились с использованием геометрии электродов типа «игла-плоскость». В качестве катода использовались металлические проволочки из различных материалов диаметром в несколько десятков микрон. Использование острийного катода позволяло локально достичь высокое электрическое поле и инициировать разряд в нужной для наблюдения области. Также это позволило улучшить качество настройки оптической системы на развивающийся с острийного катода искровой канал. В ходе экспериментов было установлено, что спустя 0.5 нс после пробоя разрядного промежутка (соответствующего началу резкого роста тока разряда) на вершине острийного катода формируются «катодные пятна» размером ~ 10 мкм, представляющие собой плазму с электронной плотностью Ne ~ 10^19 см-3. Далее, спустя 1 нс после пробоя, из этих пятен формируются сгустки (масштаба ~ 10 мкм) плотной плазмы непрозрачной для оптического излучения. Анализ поглощения лазерного излучения в объёме сгустков показал, что электронная плотность в них выше, чем Ne > 3×10^20 см-3. Качественные оценки указывают на то, что сгустки представляют собой выброс вещества материала катода в области микронного масштаба, где были достигнуты условия для быстрого фазового перехода. Установлено, что появление катодных пятен, а после - сгустков плотной плазмы, является ранней стадией формирования высокоионизованного искрового канала. Показано, что динамика прикатодной плазмы в первые 1–2 нс после пробоя определяет скорость роста тока разряда. Методом интерферометрии установлено, что плотность электронов в искровом канале (в центральной его области поперечного масштаба ~20 мкм и вблизи поверхности катода) может достигать величины вплоть до 5×10^19 см-3, что выше, чем число исходных молекул, содержащихся в воздухе атмосферного давления. Оценки показывают, что при таких плотностях электронов возможно достижение за субнаносекундные времена почти 100% ионизации и диссоциации молекул воздушной среды. Исследование динамики искрового канала показало, что по мере его продвижения в сторону анода возникает процесс «филаментации», в следствие чего канал прорастает в сторону анода в виде множества микронитей («филаментов») диаметром 5–30 мкм. Установлено, что плотность электронов в филаментах также достигает больших значений, вплоть до 5×10^19 см-3. Плотность тока в филаментах в среднем составляет ~ 10^6 А/см2. Установлено, что по мере развития разряда их число возрастает до нескольких десятков. Показано, что параметры плазмы филаментов, а также их число определяют последующий рост тока разряда. 1. Parkevich E.V. Instruments and Experimental Techniques, 60, 3 (2017), pp. 383-389. 2. E. V. Parkevich, S. I. Tkachenko, A. V. Agafonov, A. R. Mingaleev, V. M. Romanova, T. A. Shelkovenko, and S. A. Pikuz. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 124, 4 (2017), pp. 531-539. 3. E.V. Parkevich, A.N. Khiryanova, A.V. Agafonov, A.V. Tkachenko, A.R. Mingaleev, Т.А. Shelkovenko, A.V. Oginov, S.A. Pikuz. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 126, 3 (2018), pp.504-513. |