Письма в ЖЭТФ, том 113, вып. 2, с. 133 - 139

О механизме генерации убегающих электронов после пробоя

промежутка

Д.В.Белоплотов⁺¹⁾, В.Ф.Тарасенко^+∗, В.А.Шкляев⁺, Д.А.Сорокин⁺

⁺Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, 634055 Томск, Россия

^∗Национальный исследовательский Томский государственный университет, 634050 Томск, Россия

Поступила в редакцию 30 ноября 2020 г.

После переработки 30 ноября 2020 г.

Принята к публикации 3 декабря 2020 г.

Представлены данные, объясняющие генерацию убегающих электронов после пробоя промежутка

с резко неоднородным распределением напряженности электрического поля. Используя специальную

методику измерения тока смещения, вызванного появлением и движением стримера, осуществлена при-

вязка осциллограмм напряжения и тока убегающих электронов друг к другу, а также к динамике фор-

мирования стримера, которая регистрировалась с помощью четырехканальной ICCD камеры. Показано,

что первый пучок убегающих электронов генерируется в окрестности острийного катода в момент по-

явления стримера. Второй пучок убегающих электронов генерируется в момент прихода на острийный

катод обратной волны ионизации. Предполагается, что генерация второго пучка убегающих электронов

происходит в катодном слое. Это подтверждается тем, что второй пучок убегающих электронов отсут-

ствует в тех реализациях разряда, при которых наблюдается свечение катодного пятна до замыкания

промежутка плазмой.

DOI: 10.31857/S1234567821020105

Введение. Наносекундный газовый разряд, как

Так, в недавних теоретических исследованиях бы-

эффективный способ генерации низкотемператур-

ло показано, что УЭ способны обеспечить предвари-

ной плазмы, привлекает внимание исследователей во

тельную ионизацию газа перед фронтом отрицатель-

всем мире. С его помощью можно стерилизовать ме-

ного стримера, формирующегося в воздухе при атмо-

дицинские инструменты, продукты питания, упако-

сферном давлении, без “включения” фотоионизации

вочные изделия, проводить очистку выхлопных га-

[3]. В экспериментальных исследованиях было обна-

зов и сточных вод, обрабатывать поверхности ме-

ружено, что УЭ могут генерироваться не только в

таллов, полупроводников и диэлектриков, а также

предпробойной стадии разряда, но также после про-

живые ткани [1]. Широкие возможности примене-

боя промежутка при спаде напряжения [15]. В этом

ния плазмы наносекундных разрядов обусловлены

случае наблюдались два импульса тока УЭ длитель-

разнообразием химически активных форм атомов и

ностью ≈ 0.1 и ≈ 0.3 нс соответственно, а задержка

молекул, формируемых в процессах ионизации, воз-

между ними составляла ≈ 1 нс. Предполагается, что

буждения, диссоциации, рекомбинации.

генерация второго импульса происходит при распро-

Процесс формирования наносекундных газовых

странении вторичных волн ионизации. Двойные им-

разрядов часто сопровождается генерацией убегаю-

пульсы тока УЭ наблюдались также в недавней рабо-

щих электронов (УЭ). Особенно сильно эффект про-

те [16] при на порядок большем напряжении на про-

является в разрядах, формирующихся в условиях

межутке и в ≈ 4 раза большем давлении воздуха, чем

высокого перенапряжения. Это обеспечивается ис-

в [15]. Задержка между импульсами тока составля-

пользованием промежутков с резко неоднородным

ла ≈ 0.15 нс. Предполагается, что генерация второ-

распределением напряженности электрического по-

го потока УЭ происходит в частично ионизованном

ля и наносекундой длительностью импульсов высо-

промежутке после прохождения первого потока УЭ.

кого напряжения. Роль УЭ в формировании разря-

Ранее генерация двойных УЭ наблюдалась также в

дов, в том числе атмосферных, вновь начинает ак-

работах [17, 18].

тивно обсуждаться в связи с развитием как теорети-

В данной работе мы попытаемся ответить на во-

ческих моделей, так и измерительной техники [2-14].

прос о механизме генерации второго пучка УЭ в

условиях (напряжение, давление газа, зазор), близ-

¹⁾e-mail: rff.qep.bdim@gmail.com

ких к работе [15]. Для этого формирование разря-

Письма в ЖЭТФ том 113 вып. 1 - 2

2021

133

134

Д.В.Белоплотов, В.Ф.Тарасенко, В.А.Шкляев, Д.А.Сорокин

Рис. 1. (Цветной онлайн) (a) - Схема экспериментальной установки. 1 - высоковольтный кабель; 2 - генератор вы-

соковольтных наносекундных импульсов напряжения; 3 - коаксиальная передающая линия; 4 - емкостный делитель

напряжения; 5 - генератор запуска; 6 - осциллограф; 7 - высоковольтный электрод; 8 - заземленный электрод (сетка);

9 - сетка; 10 - коллектор; 11 - ICCD камера. (b) - Осциллограмма импульса напряжения на согласованную нагрузку

да исследовалось с применением методов высокоско-

ной 5 мм был изготовлен из швейной иглы диамет-

ростной съемки, а также с применением нового мето-

ром основания 1 мм и радиусом закругления кончи-

да исследования разряда посредством измерения то-

ка иглы 75 мкм. Заземленный электрод был плоским

ка смещения, вызванного движением стримера [19].

с отверстием в центре диаметром 1 см. В отверстие

Данный метод был использован для определения мо-

устанавливалась перфорированная сетка с коэффи-

мента генерации УЭ относительно динамики отрица-

циентом пропускания 0.75. Кромка отверстия была

тельного стримера, формирующегося в воздухе при

скруглена и отполирована для того, чтобы исклю-

атмосферном давлении [20]. Таким образом, цель ра-

чить неоднородность распределения напряженности

боты - определить механизм генерации УЭ после за-

электрического поля на границе кромка-сетка. Это

мыкания промежутка плазмой.

позволило избежать замыкания канала разряда на

Экспериментальная установка и методики

кромку. Расстояние между электродами составляло

измерений. Эксперименты проводились на уста-

8.5 мм.

новке, состоящей из газоразрядной камеры, совме-

Ток УЭ I_RE измерялся с помощью коллекто-

щенной с передающей линией (Z

= 75Ω), гене-

ра, расположенного за сетчатым электродом. Перед

ратора высоковольтных наносекундных импульсов

приемной частью коллектора располагалась сетка с

напряжения NPG-18/3500N, осциллографа LeCroy

коэффициентом пропускания 0.3 (см. рис. 1a). Это

WaveMaster 30Zi (16 ГГц, 20 ГС/с) и четырехканаль-

позволяло исключить влияние электрического поля,

ной ICCD-камеры HSFC-PRO. Схема эксперимен-

проникающего через сетчатый электрод. Однако при

тальной установки, а также осциллограмма импуль-

отсутствии сетки перед приемной частью коллектора

са напряжения на согласованную нагрузку представ-

можно одновременно измерять ток УЭ I_RE и дина-

лены на рис. 1.

мический ток смещения I_DDC, вызванный перерас-

Импульсы напряжения подавались на вход пере-

пределением электрического поля в основном про-

дающей линии с помощью высоковольтного коакси-

межутке при формировании плазмы [19]. По осцил-

ального кабеля длиной 3 м с волновым сопротивлени-

лограмме динамического тока смещения I_DDC мож-

ем 75 Ω. Импульсы напряжения регистрировались с

но определить с высокой точностью, в какой мо-

помощью емкостного делителя напряжения, установ-

мент времени появился стример и когда он прибыл

ленного в передающей линии. Напряжение на про-

на плоский заземленный электрод [19]. Имея сумму

межутке восстанавливалось по падающей (рис. 1b) и

двух сигналов I_RE и I_DDC, можно точно определить

отраженной волнам. Высоковольтный электрод дли-

момент генерации УЭ [20].

Письма в ЖЭТФ том 113 вып. 1 - 2

2021

х электронов после пробоя промежутка

135

Рис. 2. (Цветной онлайн) (a) - Изображения свечения плазмы разряда в воздухе при давлении 100 кПа. (b) - Ос-

циллограммы напряжения U^ICCD и тока убегающих электронов I^ICCDREs во время съемки свечения разряда с помощью

четырехканальной ICCD камеры, а также осциллограммы напряжения UDDC+REs и тока убегающих электронов IREs

вместе с динамическим током смещения IDDC, записанные в отдельном эксперименте. Зеленая кривая - осциллограм-

ма напряжения в режиме холостого хода. (c) - Осциллограммы тока убегающих I^ICCDREs и IREs + IDDC, а также разница

этих сигналов. C1, C2, C3, C4 - номера каналов ICCD камеры. Прямоугольниками показаны моменты включения

каналов камеры. Длина прямоугольников соответствует длительности экспозиции

Развитие свечения плазмы в промежутке ис-

с помощью коллектора. Результатом проведенного

следовалось с помощью четырехканальной ICCD-

эксперимента стала привязка осциллограмм тока УЭ

камеры. Данная камера позволяет получить четыре

к напряжению на промежутке, восстановленному по

последовательных изображения с известной задерж-

падающей и отраженной волнам.

кой друг относительно друга за один импульс. Мини-

Газоразрядная камера откачивалась форвакуум-

мальная длительность экспозиции одного кадра со-

ным насосом и затем заполнялась воздухом. Давле-

ставляет 3 нс. В эксперименте длительность экспо-

ние варьировалось в диапазоне 12-100 кПа.

зиции трех каналов составляла 3 нс, а у четверто-

Результаты и их обсуждение. При давлении

го - 20 нс. Таким образом, первые три канала (C1-

воздуха 100 кПа наблюдалось формирование стриме-

C3) позволяли исследовать динамику формирова-

ра большого диаметра (рис. 2), как и в предшеству-

ния разряда, а четвертый канал (C4) позволял по-

ющих исследованиях [2, 4, 15, 19]. Характерные осо-

лучить интегральное за импульс изображение свече-

бенности динамики формирования такого стримера -

ния плазмы. При этом канал C1 в момент запуска

высокая скорость стримера при старте и перед замы-

формировал синхросигнал, который записывался ос-

канием промежутка [21], а также протекание замет-

циллографом одновременно с сигналами с емкостно-

ного тока во внешней цепи при формировании стри-

го делителя напряжения и коллектора. Это позво-

мера, величина которого пропорциональна его скоро-

лило связать ICCD-изображения и осциллограммы

сти. Этот ток мы называем динамическим током сме-

напряжения и тока УЭ.

щения, чтобы отметить тот факт, что он вызван не

В отдельной серии экспериментов осуществля-

внешним изменением потенциалов электродов, а пе-

лись измерения динамического тока смещения I_DDC,

рераспределением электрического поля в зазоре, вы-

вызванного перераспределением напряженности

званным формированием стримера [19]. Кроме того,

электрического поля в промежутке при формиро-

появление и формирование стримера (рис. 2a) сопро-

вании и распространении стримера, и тока УЭ I_RE

вождается уменьшением напряжения на промежутке

Письма в ЖЭТФ том 113 вып. 1 - 2

2021

расенко, В. А. Шкляев, Д. А. Сорокин

Рис. 3. (Цветной онлайн) (a) - Изображения свечения плазмы разряда в воздухе при давлении 25 кПа. (b) - Соот-

ветствующие осциллограммы напряжения U и тока убегающих электронов IREs. Зеленая кривая - осциллограмма

напряжения в режиме холостого хода. C1, C2, C3, C4 - номера каналов ICCD камеры. Прямоугольниками показаны

моменты включения каналов камеры. Длина прямоугольников соответствует длительности экспозиции. IW s - прямая

и обратная волны ионизации. Случай, когда катодное пятно отсутствует на начальной стадии разряда

(рис. 2b), поскольку во внешней цепи уже протекает

чаи с одинаковым запаздыванием пробоя. Видно, что

ток. Этот эффект был также описан теоретически

если в двух разных экспериментах процессы иониза-

[22, 23]. Спад напряжения тем сильнее, чем выше ско-

ции стартуют в одинаковых условиях по напряже-

рость стримера (см. осциллограммы напряжения на

нию, то динамика формирования разряда воспроиз-

рис. 2-4).

водится (рис. 2a, U^ICCD и U_DDC+REs). Это позволяет

Динамический ток смещения I_DDC может быть

осуществить привязку тока УЭ I^ICCDREs к осциллограм-

измерен с помощью коллектора, расположенного за

ме напряжения U^ICCD и к динамике формирования

сетчатым заземленным электродом (рис.1). Это воз-

стримера, представленной на рис.2a.

можно по той причине, что электрическое поле про-

Из рисунка 2b,c видно, что УЭ регистрируются

никает через сетку с большим (∼ 10⁴ раз [20]) ослаб-

коллектором на ≈ 80 пс позднее начала тока I_DDC.

лением. По осциллограмме I_DDC можно определить

Однако необходимо учитывать, что скорость УЭ с

момент появления стримера (рост I_DDC, рис. 2b, c) и

энергией ≈ 35 кэВ меньше скорости распростране-

момент его прихода на противоположный сетчатый

ния электромагнитной волны, вызывающей сигнал

электрод (смена полярности I_DDC, рис. 2b, c), а так-

IDDC. Оценки, при которых учитывалось распреде-

же можно определить момент генерации УЭ отно-

ление напряженности электрического поля в проме-

сительно динамики стримера [20]. Кроме того, мож-

жутке без плазмы, показывают, что УЭ, сгенериро-

но рассчитать напряженность электрического поля

ванные вблизи катода, прибывают на коллектор на

E_c(t) вблизи сетчатого электрода в абсолютных еди-

≈ 75 пс позднее, чем электромагнитная волна, вы-

ницах [19].

званная появлением плазмы в окрестности катода.

На рисунке 2b представлены осциллограмма то-

Распределение электронов по энергиям не учитыва-

ка УЭ I^ICCDREs, измеренного в эксперименте c примене-

лось. Таким образом, осциллограмма импульса тока

нием ICCD-камеры, и осциллограмма суммы I_REs +

УЭ I_DDC должна быть смещена на ≈ 75 пс влево, что

+I_DDC, измеренной в отдельном эксперименте. Необ-

будет соответствовать моменту генерации УЭ отно-

ходимо отметить, что в каждом эксперименте было

сительно появления стримера. Из этого следует, что

записано ∼ 10² осциллограмм, а затем выбраны слу-

УЭ генерируется непосредственно при старте процес-

Письма в ЖЭТФ том 113 вып. 1 - 2

2021

их электронов после пробоя промежутка

137

Рис. 4. (Цветной онлайн) (a) - Изображения свечения плазмы разряда в воздухе при давлении 25 кПа. (b) - Соот-

ветствующие осциллограммы напряжения U и тока убегающих электронов IREs. Зеленая кривая - осциллограмма

напряжения в режиме холостого хода. C1, C2, C3, C4 - номера каналов ICCD камеры. Прямоугольниками показаны

моменты включения каналов камеры. Длина прямоугольников соответствует длительности экспозиции. IW s - пря-

мая и обратная волны ионизации. Случай, когда катодное пятно сформировалось к моменту замыкания промежутка

плазмой

сов ионизации вблизи катода. Длительность импуль-

жения на плато. Видно, что при данных условиях

са тока УЭ на полувысоте составляет 77 пс.

наблюдаются два импульса тока УЭ. Второй им-

Момент переполяривания I_DDC (рис. 2b, c) соот-

пульс тока УЭ регистрируется на спаде напряже-

ветствует достижению максимума величины E_c(t).

ния на промежутке. Привязка осциллограмм тока

Далее, E_c(t) убывает вследствие ионизации газа

УЭ к осциллограммам напряжения осуществлялась

вблизи поверхности сетки и “вытеснения” электри-

способом, описанным выше. Однако для определе-

ческого поля - происходит перераспределение на-

ния момента генерации каждого пучка УЭ необхо-

пряженности электрического поля в ионизованном

димо учесть время пролета электронами расстояния

промежутке и, как мы полагаем, формируется об-

от зоны генерации до коллектора. Первый пучок УЭ

ратная волна ионизации. В работе [21] наблюда-

генерируется в окрестности катода при старте про-

лось характерное распространение фронта свечения

цессов ионизации. Как уже было установлено вы-

в обратном направлении на изображениях, получен-

ше, импульс тока УЭ должен быть смещен влево

ных с помощью стрик-камеры. Данные, полученные

на ≈ 75 пс, что будет соответствовать моменту ге-

за ∼ 10² импульсов в различных условиях, показы-

нерации УЭ. Второй пучок, предположительно, ге-

вают, что обратная волна ионизации формируется

нерируется в катодном слое после того, как обрат-

всегда.

ная волна ионизации достигла катода. Распростра-

На рисунке 3 представлены ICCD-изображения

нению в промежутке обратной волны ионизации со-

свечения плазмы разряда, а также соответствующие

ответствует второй резкий спад напряжения на про-

осциллограммы напряжения и тока УЭ при давлении

межутке (рис. 3b). Генерация второго пучка УЭ про-

воздуха 25 кПа. Моменты включения и длительность

исходит при напряжении на промежутке от -20 до

экспозиции каналов ICCD камеры C1-C3 показаны

-15 кВ. При этом напряжении время пролета элек-

прямоугольниками на рис. 3b.

тронами расстояния от катода до коллектора состав-

Необходимо отметить, что независимо от давле-

ляет ≈ 100 пс. Распределение электронов по энерги-

ния пробой чаще всего случался при выходе напря-

ям не учитывалось.

Письма в ЖЭТФ том 113 вып. 1 - 2

2021

138

Д.В.Белоплотов, В.Ф.Тарасенко, В.А.Шкляев, Д.А.Сорокин

По-видимому, при подходе фронта обратной вол-

Исследование выполнено при финансовой под-

ны ионизации к катоду приведенная напряженность

держке Российского фонда фундаментальных иссле-

электрического поля E/p в катодном слое резко

дований в рамках научного проекта # 20-02-00733.

увеличивается и превышает критическую величину

Авторы благодарят центр коллективного пользо-

(E/p)_cr, необходимую для перехода заметной части

вания ТомЦКП СО РАН за предоставленные прибо-

электронов в режим непрерывного ускорения. Кроме

ры LeCroy Wave Master 830Zi-A и ICCD камера HSFC

того, резко должен увеличиться ток автоэлектрон-

Pro.

ной эмиссии с катода. Набрав высокую энергию в

катодном слое, электроны могут продолжить уско-

ряться в канале плазмы, поскольку, как известно, ве-

K-D. Weltmann, J. F. Kolb, M. Holub, D. Uhrlandt,

личина (E/p)_cr уменьшается с ростом энергии элек-

Šimek, K. Ostrikov, S. Hamaguchi, U. Cvelbar,

тронов.

Černák, B. Locke, A. Fridman, P. Favia, and

K. Becker, Plasma Process Polym. 16, 1800118 (2018).

Катодный слой может исчезнуть в результате

взрыва микровыступов на поверхности катода и фор-

G. V. Naidis, V. F. Tarasenko, N. Yu. Babaeva, and

M. I. Lomaev, Plasma Sources Sci. Technol. 27, 013001

мирования катодного пятна. Как видно из рис. 3a, ка-

(2018).

тодное пятно отсутствует на начальной стадии раз-

ряда. Оно наблюдается только на изображении, по-

N. Y. Babaeva, G. V. Naidis, D.V. Tereshonok,0 and

лученном за весь импульс (рис. 3a, кадр C4).

E. E. Son, J. Phys. D: Appl. Phys. 51, 434002 (2018).

Однако катодное пятно может сформироваться

В. Ф. Тарасенко, Г. В. Найдис, Д. В. Белоплотов,

уже к моменту прихода стримера (первой волны

Д. А. Сорокин, М. И. Ломаев, Н. Ю. Бабаева, Физика

плазмы 46, 273 (2020).

ионизации) на анод (рис. 2) или к моменту прихода

на катод обратной волны ионизации (рис. 4). В та-

V. Tarasenko, Plasma Sources Sci. Technol. 29, 034001

(2020).

ких вариантах реализации разряда наблюдался толь-

ко один импульс тока УЭ, как это показано на рис. 4.

А. В. Козырев, Е. М. Баранова, В. Ю. Кожевников,

Н. С. Семенюк, Письма в ЖТФ 43, 56 (2017).

При давлении воздуха 12 кПа генерация двух

пучков УЭ наблюдалась почти в каждом импульсе.

V. Y. Kozhevnikov, A. V. Kozyrev, N. S. Semeniuk, and

Кроме того, наблюдались реализации разряда, когда

A. O. Kokovin, IEEE Trans. Plasma Sci. 46,

3468

(2018).

генерировался только второй пучок УЭ. Особенность

формирования разряда при данном давлении состоя-

V. A. Shklyaev, E. Kh. Baksht, S. Ya. Belomyttsev,

ла в том, что плазма примыкала не только к кончику

A. G. Burachenko, and A. A. Grishkov, J. Appl. Phys.

121, 093304 (2017).

иглы, но также к ее боковой поверхности, площадь

которой в десятки раз больше. В этом случае, при со-

V. A. Shklyaev, E. Kh. Baksht, S. Ya. Belomyttsev,

поставимом токе разряда (300-400 A) плотность тока

A. G. Burachenko, A.A. Grishkov, and VF. Tarasenko,

J. Appl. Phys. 118, 213301 (2015).

с катода j была в десятки раз меньше, что как ми-

нимум на два порядка увеличивает время формиро-

10.

G. S. Diniz, C. Rutjes, U. Ebert, and I. S. Ferreira,

вания t_f катодного пятна (j²t_f = const [24]).

J. Geophys. Res. Atmos. 124, 189 (2019).

Выводы. Полученные данные показывают, что

11.

D. Sarria, C. Rutjes, G. Diniz, A. Luque,

генерация УЭ может происходить при достаточно

K. M. A. Ihaddadene, J. R. Dwyer, N. Ostgaard,

A. B. Skeltved, I. S. Ferreira, and U. Ebert, Geosci.

низких (десятки кВ) напряжениях на промежутке с

Model Dev. 11, 4515 (2018).

резко неоднородным распределением напряженности

электрического поля. Наличие катодного слоя мо-

12.

S. Nijdam, J. Teunissen, and U. Ebert, Plasma Sources

Sci. Technol. 29, 103001 (2020).

жет обеспечивать генерацию УЭ даже после замыка-

ния промежутка плазмой первой волны ионизации.

13.

Н. М. Зубарев, Г. А. Месяц, М. И. Яландин, Письма

При этом амплитуда и длительность импульса то-

в ЖЭТФ 105, 515 (2017).

ка УЭ больше, чем у импульса тока УЭ, сгенериро-

14.

Г. А. Месяц, М. И. Яландин, УФН 189, 747 (2019).

ванных в предпробойной стадии разряда. Быстрый

15.

V. F. Tarasenko, D. V. Beloplotov, M. I. Lomaev, and

переход к взрывной эмиссии электронов ограничи-

D. A. Sorokin, Plasma Sci. Technol. 21, 044007 (2019).

вает генерацию второго пучка УЭ. Полученные дан-

16.

N. Zubarev, K. Sharypov, S. Shunailov, A. Sadykova,

ные расширяют представление о генерации УЭ. На-

V. Shpak, and M. Yalandin, Proceedings - 2020 7th

пример, можно ожидать генерацию УЭ в условиях,

International Congress on Energy Fluxes and Radiation

когда распределение напряженности электрического

Effects (EFRE), Tomsk, Russia (2020), p. 364.

поля однородное, но возможно формирование катод-

17.

Е. Х. Бакшт, В. Ф. Тарасенко, М. И. Ломаев,

ного слоя.

Д. В. Рыбка, Письма ЖТФ 33, 29 (2007).

Письма в ЖЭТФ том 113 вып. 1 - 2

2021