Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2022, T. 502, № 1, стр. 67-72

ЭКСПЕРИМЕНТ

Ранее [1] снижение порога ВЧ-зажигания ламп-вспышек мы объясняли вариацией диэлектрической проницаемости хладоагента (воздуха и жидкостей). Однако этого было недостаточно для обоснования наблюдаемого многократного снижения порога и требовало детального изучения физики процесса на разных стадиях развития зажигания лампы.

В эксперименте использовали серийную коммерческую цилиндрическую лампу-вспышку ДНП6/90 с диаметром трубки 6 мм и расстоянием между электродами 90 мм для накачки неодимовых лазеров. Лампа наполнена криптоном с давлением 350 Торр. Поджиг лампы для зажигания дежурной дуги или разряда накопительной емкости рекомендовано проводить высоковольтным импульсом с напряжением до 20 кВ. Лампа размещалась в контейнере-кювете из поливинилхлорида (ПВХ) без верхней крышки, что позволяло менять охлаждающие жидкости и наблюдать развитие разряда по длине лампы.

Для ВЧ-накачки лампы мы разработали высокочастотный и высоковольтный генератор тока с перестраиваемой частотой 1–3 МГц и амплитудой синусоиды до 5000 В. Генератор обеспечивал режим накачки лампы непрерывной синусоидой колебаний, а также в форме пачек, заполненных синусоидой, длительность пачек и интервал между ними варьировалась. Схема эксперимента оставалась прежней, детали которой описаны в работах [1, 2].

На рис. 1 приведены фотографии лампы в воде до зажигания разряда (а), на начальной стадии зажигания (б) и следующей стадии (в) при увеличении амплитуды до 2900 В непрерывных ВЧ-колебаний с частотой 3 МГц.

Во-первых, насколько нам известно, мы обнаружили ряд особенностей на стадии зажигания разряда. В отличие от разряда постоянным током с катодным свечением [3], здесь подобное свечение возникает одновременно на обоих электродах (рис. 1б). Во-вторых, на начальной стадии разряда области свечения разделены темным (фарадеевским) пространством разрыва тока разряда, длина которого уменьшается при повышении амплитуды ВЧ-накачки (рис. 1в). Физически ясно, что разрыв тока внутри трубки лампы замыкается током смещения через стенку трубки по ее внешней поверхности внутри воды. Последующее повышение амплитуды сопровождается сближением областей свечения до полного контакта и замыканием тока разряда внутри лампы.

Оставалось неясным, как начинает формироваться разряд в приэлектродных областях на начальной стадии. С целью изучения деталей развития свечения мы изменили режим ВЧ-накачки лампы с непрерывного на “импульсно-периодический”, последовательностью пачек, заполненных ВЧ-колебаниями с частотой 3 МГц и амплитудой 2500 В. Длительность пачек составляла 1 мс, которые следовали с частотой 12 Гц.

На рис. 2 представлено изображение свечения лампы на начальной стадии разряда при ВЧ-накачке последовательностью пачек.

Из рис. 2 видно, что процесс зажигания разряда сохраняет особенности, которые наблюдали ранее (см. рис. 1) при непрерывной ВЧ-накачке лампы: одновременное зажигание катодного свечения у обоих электродов и темный промежуток (разрыв тока в лампе) между ними. Кроме того, накачка пачками визуализирует начальную стадию развития зажигания лампы. На рис. 2 отчетливо видны отдельные нитевидные стримеры-разряда, которые заполняют область свечения. Счетное число (3–4 шт.) протяженных линий разряда от 3–4 последовательных максимумов синусоиды накачки с периодом 300 нс позволяет оценить время жизни стримера как ~1 мкс, учитывая частоту накачки 3 МГц.

Увеличение длительности пачки сопровождается увеличением вклада диффузного свечения и повышением его интенсивности, что экранирует нитевидные стримеры. Характерно, что свечение заполняют все поперечное сечение трубки лампы (рис. 1, 2) до контакта с внутренней поверхностью. На рис. 2 хорошо видно, что протяженные стримеры разряда также локализованы вдоль поверхности внутри лампы. Короткий стример от острия правого электрода уходит к поверхности лампы, при этом основание электрода окружено светящимся кольцом. Это колечко указывает на формирование тока смещения в воде по всему периметру внешней поверхности трубки лампы. Увеличение амплитуды ВЧ-колебаний в пачке до 3000 В сопровождается сокращением длины темного пространства до его исчезновения и контакта областей свечения, как и в случае непрерывной ВЧ-накачки. При этом картина разряда кардинально меняется. Из объемного разряда областей свечения формируется один устойчивый стример, типичный вид которого для обоих режимов накачки показан на рис. 3.

Оставалось неясным, почему стример формируется по длинному пути между основаниями электродов (см. рис. 3) из точек прилегания основания электродов к внутренней поверхности трубки, тогда как более короткий путь между вершинами электродов остается свободным. Скорее всего, это следствие того, что катодное свечение формировалось от основания электродов (см. светящееся колечко на основании электрода на рис. 2). В такой геометрии плотный контакт основания электрода со стенкой лампы (в отличие от острия электрода, отдаленного от стенки) обеспечивал минимальный импеданс для тока смещения по воде от электродов через стенку лампы. Мы предположили, что замена воды с диэлектрической восприимчивостью ε = 81 на другой хладоагент, например, трансформаторное масло (ε = 2), будет проявляться в формировании стримера разряда.

На рис. 4 показан стример разряда лампы, охлаждаемой трансформаторным маслом при ВЧ-накачке (3 МГц) последовательностью пачек с амплитудой выше порога зажигания длительностью 1 мс и частотой следования 12 Гц.

Из рис. 4 видно, что стример разряда формируется между остриями электродов по минимальному расстоянию в отличие от случая охлаждения водой (рис. 3), когда стример соединял основания электродов и был длиннее на 2–3 см. Более того, этот стример формируется при достижении амплитуды синусоиды порогового значения 4500 В без катодного свечения и темного пространства (рис. 1).

Заметим, что отсутствие катодного свечения мы наблюдали и при непрерывной ВЧ-накачке лампы, охлаждаемой маслом, а также в других жидкостях-хладоагентах: ацетон, этиловый спирт и глицерин. Таким образом, катодное свечение на обоих электродах с темным пространством в средней части при ВЧ-накачке лампы формируется на начальной стадии зажигания только при ее охлаждении водой.

Визуальное сравнение рис. 3 и рис. 4 показывает, что в одинаковых условиях ВЧ-накачки диаметр стримера при охлаждении лампы маслом в два раза больше, чем при охлаждении водой. Кроме того, при охлаждении водой бόльшая часть траектории стримера контактирует в окрестности электродов с внутренной стенкой лампы. Наблюдаемые отличия дают основание заключить, что ток разряда разветвляется у основания электродов. При этом большая часть тока замыкается стримером внутри лампы, а меньшая – током смещения через стенку лампы около основания электродов и вдоль стримера, прилегающего к внутренной поверхности трубки, а также через воду по всей внешней поверхности лампы (см. рис. 3).

Далее, мы с помощью цифрового осциллографа измерили длительность интервала, за время которого развивается зажигание лампы с охлаждением водой при ВЧ-накачке в окрестности порога и с превышением порога зажигания лампы на 20%. Длительность определялась по резкому снижению амплитуды (~3000 В) ВЧ-напряжения с одновременным повышением силы тока разряда при образовании стримера между электродами. Так, при пороговой ВЧ-накачке длительность интервала зажигания лампы составила 90 мкс, которая сократилась более чем в три раза (до 27 мкс) при превышении амплитуды ВЧ-накачки на 20% до ~3600 В.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Совокупность полученных данных показывает, что физика ВЧ-пробоя принципиально отличается от пробоя постоянным током. Из физики газовых разрядов [3–5] известно, что тлеющий разряд постоянного тока, который наиболее изучен к настоящему времени, имеет выраженную асимметрию анодной и катодной областей разряда: быстрые и медленные электроны и разноименно заряженные объемные заряды с диффузией электронов на стенки лампы и другие особенности.

Поскольку ВЧ-поле периодически меняет направление на противоположное по геометрической оси лампы, то вероятность выхода зарядов из объема свечения на стенки уменьшается. Потери заряженных частиц уменьшаются, что поддерживает рост ионизации и формирование стримера между электродами при небольшой амплитуде ВЧ-поля. Полученные нами результаты показывают существенное (до порядка величины) снижение порога пробоя (~3 кВ) при ВЧ-зажигании лампы по сравнению с амплитудой однополярного импульса (20 кВ) пробоя лампы для накачки твердотельного лазера вспышкой лампы от разряда емкости.

Принимая во внимание кривую Пашена [3–6], зависимости потенциала зажигания от произведения давления газа на длину разрядного промежутка, можно ожидать двукратного снижения потенциала зажигания при ВЧ-накачке из-за катодного свечения у обоих электродов лампы в воде (рис. 1, 2). Здесь вода визуализирует присутствие электронов в областях свечения, которых не видно при использовании других хладоагентов из-за снижения тока смещения, как мы полагаем. На рис. 5 приведен схематический разрез лампы-вспышки и эквивалентная электрическая схема протекания тока смещения между электродами через охлаждающую среду при ВЧ-зажигании.

Из рис. 5 видно, что ток смещения протекает от одного электрода через стенку кварцевой трубки лампы по всему внешнему периметру до жидкости охлаждения, затем через слой жидкости охлаждения по внешней поверхности трубки до второго электрода и через стенку трубки ко второму электроду. Емкости этих участков, стекло–жидкость–стекло, условно обозначили как С₁–С₂–С₁ соответственно.

Величина тока смещения определяется следующим соотношением:

где C_z – общая емкость между электродами (1/C_z = 1/С₂ + 2/С₁), U и ω – амплитуда напряжения и частота ВЧ-накачки на электродах. Отметим, что С₁ = ε_G × C_A и С₂ = ε_L × C_A, где C_A – емкость в воздухе, ε_G и ε_L – диэлектрическая проницаемость стекла и охлаждающей жидкости. Из (1) следует, что ток смещения пропорционально нарастает с увеличением частоты, суммарной емкости участков цепи и потенциала ВЧ-накачки. Зависимость от диэлектрической проницаемости хладоагента не является явным, но ее увеличение также повышает ток смещения. Поэтому вода, как хладоагент, с ее большой диэлектрической восприимчивостью (ε_L = 81) и большим током смещения (1) визуализирует катодное свечение в области электродов (рис. 1, 2), которое становится невидимым при уменьшении диэлектрической проницаемости хладоагента (масло) до ε_L = 2.

Мы измерили суммарную емкость C_z между электродами при заполнении кюветы водой прибором МS-508. Ее величина составила 18 пФ. Тогда расчет тока смещения по формуле (1) до стадии зажигания стримера при напряжении U = = 2500 В дает величину 1 А, что совпадает с измеренной силой тока смещения до формирования разряда. После замены воды на масло ток смещения уменьшился в 18 раз и его влиянием на разряд в этом случае можно пренебречь. Рисунки 3 и 4 подтверждают влияние диэлектрической проницаемости хладоагента и тока смещения на геометрию стримера и диаметр его шнура. Отметим, что меньший диаметр стримера при охлаждении водой обеспечивает меньший износ электродов из-за распыления в режиме дежурной дуги перед разрядом емкостей накачки твердотельных лазеров.

Как упоминалось выше, двукратное снижение порога ВЧ-зажигания обеспечивает включение катода попеременно на каждом электроде с инжекцией электронов в разрядный промежуток по оси лампы. Следующим фактором снижения потенциала зажигания является, по нашему мнению, протяженный интервал зажигания. Здесь, в соответствии с законом сохранения энергии, мы увеличиваем время (~90 мкс) ввода энергии в разряд при относительно малой (3000 В) амплитуде ВЧ-колебаний. При стандартном поджиге-пробое лампы ДНП6/90, напротив, используют один импульс амплитудой ~20 000 В и длительностью ~10 мкс. Отсюда видно, что произведения этих величин (энергия) сопоставимы в соответствии с законом сохранения энергии. В нашем случае мы рассматриваем произведение амплитуды на длительность импульса поджига или цуга ВЧ-накачки. В течение длительного интервала длина области катодного свечения увеличивается (из-за медленной диффузии электронов из приосевого объема на стенки лампы, т.е. малых потерь, и эффекта накопления электронов в разрядном промежутке) до момента замыкания темного пространства. Так, при пороговой (3 кВ) ВЧ-накачке (3 МГц) интервал составляет 90 мкс. Повышение потенциала накачки до 3.6 кВ сопровождается укорочением интервала зажигания до 27 мкс из-за увеличения длины пробега электрона в лампе и сокращения темного пространства (рис. 1, 2) в каждом периоде ВЧ-колебаний. Оставалась неясной возможность снижения порога ВЧ-разряда в лампах большого размера с разрядным промежутком в несколько десятков сантиметров.

Особый интерес здесь вызывает снижение порога ВЧ-поджига коммерческой лампы-вспышки ИНП24/590 с длиной разрядного промежутка лампы 59 см и внутренним диаметром 2.4 см на частоте 3 МГц. В предварительных экспериментах при охлаждении лампы водой мы наблюдали зажигание уединенного стримера между электродами при амплитуде ВЧ-колебаний ~5 кВ, тогда как в паспорте завода-изготовителя рекомендовано использовать для поджига лампы импульс с амплитудой до ~45 кВ.

ВЫВОДЫ

Экспериментально обосновано, что ВЧ-зажигание на частоте 3 МГц коммерческих ламп-вспышек (ДНП6/90 с диаметром трубки 6 мм и расстоянием между электродами 90 мм) для накачки твердотельных лазеров сопровождается кратным снижением порога (с 20 до 3 кВ). Установлено, что порог полного зажигания лампы определяется двумя основными факторами: амплитудой высокочастотного поля и импедансом охлаждающей жидкости, а также интервалом зажигания. Снижение амплитуды поджига лампы-накачки компактных твердотельных лазеров особенно важно для лидаров при зондировании аэрозолей в условиях повышенной влажности, например, в протяженных тоннелях Баксанской нейтринной обсерватории [7, 8] для предотвращения пробоя и разряда емкости по поверхности.

Несомненно, предварительные успешные эксперименты по ВЧ-поджигу на частоте 3 МГц коммерческой лампы-вспышки ИНП24/590 большого размера с длиной разрядного промежутка лампы ~60 см и внутренним диаметром 2.4 см показывают перспективность разрабатываемого режима. Многократное (почти на порядок) снижение порога зажигания с рекомендованных 45 кВ до зарегистрированных нами 5 кВ при охлаждении лампы водой является убедительным доказательством и стимулом для продолжения работ.