Теплофизика высоких температур, 2022, T. 60, № 2, стр. 167-171

ВВЕДЕНИЕ

Тлеющий разряд широко используется в различных областях современной науки и является основой множества практических приложений (квантовые генераторы, плазменная модификация поверхностей, тонкопленочное осаждение, биологическая дезактивация, спектрометрия и т.п.). В последние годы наблюдается резкий рост исследований тлеющего разряда при средних и высоких (вплоть до атмосферного) давлениях [1‒9]. При этом свойства тлеющего разряда при таких условиях остаются мало изученными. В первую очередь это связано с трудностью экспериментальной диагностики локальных значений параметров плазмы. Зачастую о параметрах разряда приходится судить из измеренных интегральных характеристик разряда: вольт-амперной характеристики (ВАХ), оптических характеристик и т.п. [1, 3‒7]. С другой стороны, при высоких давлениях возникают различные типы неустойчивостей, которые приводят к отличным от диффузной формы режимам горения разряда. В первую очередь причинами неустойчивости являются нагрев газа и изменение локальных значений концентраций нейтральных частиц в области горения разряда. Этот факт, в свою очередь, способствует изменению приведенного значения напряженности электрического поля E/N, а следовательно, и изменению транспортных характеристик электронов в плазме, констант скоростей неупругих процессов и др. Все это может приводить к возникновению контракции [10‒12].

Очевидно, что на настоящем этапе необходимо продолжить тщательное методическое экспериментальное исследование тлеющего разряда при средних и высоких давлениях. Современные работы по исследованию разрядов высокого давления проводятся, как правило, в достаточно объемных вакуумных камерах, где разряд не ограничен стенками и горит в атмосфере какого-либо газа [1, 3, 4], либо в стеклянных цилиндрических трубках [13‒22]. В результате разработки и сборки экспериментальных установок на основе стеклянных трубок, как правило, существуют балластные области, основной функцией которых являются подключение устройств диагностики разряда, вакуумного поста, системы напуска газов, установка контейнеров для инжекции пылевых частиц в разрядную трубку и многое другое [13‒16, 19, 23‒29].

Аналогичные балластные области могут быть и в реальных устройствах, использующих в качестве рабочей среды низкотемпературную плазму. Например, в системах для отпаянных газовых лазеров, управляемых акустическими волнами, где в балластных областях установлены электроды, оптические окна, источник звуковых колебаний и др. [30, 31]. Наиболее привлекательными с практической точки зрения являются непрерывные газоразрядные СО₂-лазеры, используемые для резки, сварки, гравировки, получения нанопорошков и во многих других приложениях. В отпаянных СО₂-лазерах обычно используется классическая схема тлеющего разряда в трубке. В трубке разряд получается более однородным в сравнении с лазерами, имеющими прямоугольную геометрию газоразрядной камеры, и качество излучения становится более высоким (предельно малая (дифракционная) расходимость излучения, высокая временная и пространственная когерентность излучения). В качестве активной среды СО₂-лазеров используется тлеющий разряд в смеси газов СО₂, N₂ и Не, где последний может составлять до 80% [10, 32, 33]. Вследствие высокой теплопроводности гелия обеспечивается быстрый теплоотвод от активной среды, что делает разряд более устойчивым. Отпаянные газоразрядные системы, где буферным газом является гелий, используются при исследовании низкотемпературной плазмы [1, 3, 4] и плазменно-пылевых кристаллов [24‒27].

В разрядах постоянного тока при средних и высоких давлениях в случае отсутствия должного охлаждения наблюдается нагрев газа, при котором существенная часть нейтральных частиц вытесняется не в пристеночные области, а в “холодные” буферные балластные области за счет большого градиента температуры. В силу справедливости уравнения состояния идеального газа при постоянстве давления увеличение температуры во всей разрядной области приведет к пропорциональному уменьшению концентрации нейтральных частиц. Это, в свою очередь, приводит к интересным особенностям горения разрядов и расширяет диапазон условий по давлению и разрядному току, существования тлеющего разряда с диффузным положительным столбом. Стоит отметить высокие показатели продольной, приведенной напряженности электрического поля E/N для разрядов в гелии, обеспечивающей значительный энерговклад в систему и способствующей наиболее яркому проявлению эффекта буферной балластной области.

Целью представленной работы является исследование влияния объема буферной балластной области (ББО) газа на характеристики разряда в гелии в длинной цилиндрической трубке для широкого диапазона токов (от 30 до 200 мА) и давлений (от 10 до 400 Торр).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Для исследования электрических характеристик и пространственной структуры тлеющего разряда была разработана экспериментальная установка (рис. 1). Она представляет собой трубку 1 из термостойкого боросиликатного стекла (установленную вертикально) длиной 8.8 см и внутренним диаметром 2.6 см, заполненную гелием. Два плоскопараллельных электрода из меди, охлаждаемых водой, расположены на концах трубки.

Рис. 1.

Схема экспериментальной установки.

На расстоянии 3.4 см от катода находится цилиндрический канал диаметром 1 см и длиной 5.7 см с объемом 0.1V_tube, где V_tube – объем разрядной трубки. На конце канала установлен вакуумный кран, который соединяет его с буферной областью объемом 14V_tube. Буферная область 2, 3 представляет собой два цилиндрических объема из диэлектрического материала, присоединенных к разрядной трубке и разделенных вакуумным краном. Таким образом, можно выделить три буферных области газа V_b, присоединенных к разрядному промежутку с объемами 0.1V_tube, 0.56V_tube и 14.1V_tube.

Тлеющий разряд зажигался и поддерживался источником питания постоянного тока Spellman STR30*6 (0‒30 кВ) 4. Положительное напряжение подавалось на анод через балластный резистор 5, помещенный последовательно. Катод был заземлен. Источник работал в режиме контроля по току. Общее балластное сопротивление в электрической цепи 5, 6 составляло 40 кОм. Токи и напряжения на разрядном промежутке регистрировались с помощью осциллографа Rigol DSC2072A. Для измерения напряжения применялся высоковольтный щуп АСА-6039. В качестве токового шунта использовалась часть балластного сопротивления на 700 Ом 6 со стандартным щупом RP3300A. Напряжение на разряде определялось разницей показаний с каналов осциллографа CH2 и CH1. Измерения электрических характеристик разряда велись в квазистационарном режиме мягким регулированием тока в электрической цепи. При давлениях p от 10 до 300 Торр и p = 400 Торр ВАХ снимались в течение 25 и 10 с соответственно. Давление в разрядной камере контролировалось с помощью датчика Баратрон 625D.

На первом этапе проводилась откачка трубки с буферными областями до давлений порядка 10^–3 Торр с помощью форвакуумного насоса 7. Далее в систему напускался гелий до атмосферного давления и вновь производилась откачка. Такая процедура выполнялась несколько раз. Затем снова напускался гелий до исследуемых давлений. Буферная область 2, 3 перекрывалась, и в цилиндрической трубке зажигался разряд. Снимались его ВАХ. На втором этапе восстанавливалось сообщение буферной области 2 с разрядной трубкой, снова снимались ВАХ и т.д.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

ВАХ тлеющего разряда при разных присоединенных объемах ББО показаны на рис. 2. Электрический пробой гелия проходил при давлениях от 10 до 400 Торр. С увеличением давления газа p падение напряжения на разряде росло [1, 10]. Наблюдался нормальный тлеющий разряд, характеризующийся ростом площади токового пятна с увеличением разрядного тока, о чем косвенно может свидетельствовать факт увеличения площади свечений прикатодных областей. При давлениях от 100 Торр и выше (в пределах малых разрядных токов) на ВАХ наблюдается растущая часть, чем больше давление, тем меньше диапазон токов, в котором наблюдается растущая часть ВАХ (рис. 3). Стоит отметить, что разряд горит в нормальном режиме.

Рис. 2.

ВАХ тлеющего разряда при различных объемах ББО газа: (а) ‒ p = 10 Торр (1–3), 50 (4–6); (б) ‒ 100 (1–3), 200 (4–6); (в) ‒ 300 (1–3), 400 (4–6); 1, 4 – V_b = 0.1V_tube; 2, 5 – 0.56V_tube; 3, 6 – 14.1V_tube.

Рис. 3.

Зависимость максимального тока I_m, при котором существует растущая часть ВАХ от давления: 1 − V_b/V_tube = 0.1, 2 − 0.56, 3 − 14.1; штриховая линия – аппроксимация для случая V_b = 14.1V_tube.

Поскольку эксперименты проводились при средних и высоких давлениях, в разряде преобладают молекулярные ионы гелия [34, 35]. Следовательно, доминирующим механизмом гибели заряженных частиц в плазменном объеме положительного столба является объемная диссоциативная рекомбинация. Как известно, разряду, контролируемому объемной рекомбинацией, свойственна растущая ВАХ [10, 36]. По мере увеличения разрядного тока возникает ионизационно-перегревная неустойчивость, которая в свою очередь приводит к контракции. ВАХ разряда при этом становится падающей. Отметим, что с ростом давления увеличивается частота столкновений, и прогрев газа по мере продвижения по ВАХ происходит быстрее, уменьшая диапазон токов, при которых существует растущая ВАХ, что подтверждается экспериментальными данными на рис. 3.

При токах от 50 мА и выше для давлений от 100 до 400 Торр наблюдается падающая часть ВАХ, что свидетельствует о неустойчивом режиме горения разряда. Падающая часть ВАХ является следствием разогрева газа [10], поэтому при больших давлениях и, как следствие, мощностях, вкладываемых в разряд в исследуемом диапазоне токов, падение имеет более крутой характер.

Восстановление сообщения между разрядной трубкой и ББО газа приводит к падению напряжения на разряде, визуальному увеличению ширины и радиальной однородности положительного столба (рис. 4). При этом в предположении совершенного газа увеличение объема буферной области ведет к уменьшению концентраций нейтральных частиц и, как следствие, к уменьшению напряжения горения разряда. Нейтральные частицы вытесняются в “холодную” ББО газа за счет градиента температуры, плотность нейтральной компоненты в разрядной области при этом падает. Наглядно данный процесс можно проследить на ВАХ разряда при давлении p = = 100 Торр с объемом ББО 0.1V_tube и p = 200 Торр с объемом ББО 14.1V_tube (рис. 2б). ВАХ разрядов лежат в одном диапазоне напряжений и практически совпадают при давлениях, отличающихся вдвое, что свидетельствует о близких значениях параметра приведенного поля E/N для этих двух случаев. При увеличении давления наличие ББО приводит к большему снижению напряжения горения разряда, что объясняется повышением температуры в разряде и, как следствие, более эффективным вытеснением нейтральных частиц в “холодную” ББО.

Рис. 4.

Тлеющий разряд при влиянии различных объемов ББО газа (p = 200 Торр, I = 40 мА): (а) – V_b = = 0.1V_tube; (б) – 14.1V_tube.

В данной работе впервые наблюдался частично-контрагированный тлеющий разряд в гелии (рис. 4б). Стационарное, частично-контрагированное состояние тлеющего разряда в аргоне и смеси Ar−N₂ исследовалось в работах [37‒40]. В условиях данного эксперимента во всех случаях контрагированная часть разряда была привязана к катоду. При увеличении тока граница между диффузной и контрагированной частями перемещалась от катода к аноду. После формирования частично-контрагированного состояния разряд в таком режиме мог существовать в течение длительного времени без дополнительной регулировки параметров электрической цепи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментально исследовано поведение тлеющего разряда в цилиндрической трубке с присоединенными к ней ББО газа. Сняты ВАХ тлеющего разряда в трубке с учетом трех объемов ББО, присоединенных к газоразрядному промежутку. Показано, что, варьируя объем ББО, можно изменять приведенное электрическое поле E/N и, как следствие, все основные характеристики тлеющего разряда, включая и плотность тока. Таким образом, используя такой простой инструмент, как ББО, возможно получать тлеющий разряд в гелии с однородным диффузным положительным столбом при достаточно высоких давлениях. Очевидно, что объем ББО является важным фактором, который необходимо учитывать при исследовании разрядов высокого давления и интерпретации полученных результатов. Отметим, что в литературе до сих пор этому вопросу не было уделено должного внимания. Влияние ББО имеет асимптотический характер, поэтому при изучении разрядов и сравнении результатов исследований в установках, в которых размер вакуумной камеры много больше газоразрядного промежутка, влияние объема ББО может быть несущественно. Однако, при исследовании разрядов, ограниченных стенками камеры, например в классических газоразрядных трубках, влияние ББО необходимо учитывать.

Исследование электрических характеристик разряда выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-71-10055), программная цифровая обработка данных с осциллографа проведена в рамках государственного задания ФИЦ КазНЦ РАН.