авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ

На правах рукописи

УДК 537.521.7: 537.527

ИВАНОВ СТЕПАН НЕСТОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ СУБНАНОСЕКУНДНОГО ПРОБОЯ

СИЛЬНОПЕРЕНАПРЯЖЕННЫХ ГАЗОВЫХ ПРОМЕЖУТКОВ

01.04.13 – электрофизика, электрофизические установки Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Екатеринбург, 2013 2 Содержание 1. ВВЕДЕНИЕ 5 2. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ И ИСХОДНЫЕ ПУНКТЫ ДЛЯ ФОРМУЛИРОВКИ ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ СУБНАНОСЕКУНДНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ ГАЗОВЫХ ПРОМЕЖУТКОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ХРОНОГРАФИИ 3.1. Введение 3.2. Схема синхронизации эксперимента 3.3. Генератор поджигающих импульсов 3.4. Высоковольтная линия задержки 3.5. Электронно-оптическая камера 3.6. Испытательная камера 3.7. Конструкция электродов разрядного промежутка 3.8. Выводы 4. ИССЛЕДОВАНИЯ СВЕЧЕНИЯ СОПРОВОЖДАЮЩЕГО СУБНАНОСЕКУНДНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ СИЛЬНОПЕРЕНАПРЯЖЕННЫХ ГАЗОВЫХ ПРОМЕЖУТКОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ХРОНОГРАФИИ 4.1. Введение 4.2. Исследования свечения сопровождающего субнаносекундный пробой сильноперенапряженных газовых промежутков при давлениях газа от 4 до 15 атм. Экспериментальные результаты. 4.3. Моделирование процессов в газе при давлении от 4 до 15 атм на предпробойной стадии. 4.4. Исследования свечения сопровождающего субнаносекундный пробой сильноперенапряженных газовых промежутков при давлении газа от 30 до 40 атм. Экспериментальные результаты. 4.5. Моделирование процессов в газе при давлении от 30 до 40 атм на предпробойной стадии. 4.6. Выводы 5. ПЕРЕХОД ЭЛЕКТРОНОВ В РЕЖИМ НЕПРЕРЫВНОГО УСКОРЕНИЯ ПРИ СУБНАНОСЕКУНДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПРОБОЕ В ГАЗАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ 5.1. Введение 5.2. Экспериментальная установка 5.3. Результаты экспериментов и их обсуждение 5.4. Выводы: 6. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ГАЗОВОГО ПРОБОЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ СУБНАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ 6.1. Введение 6.2. Экспериментальная установка 6.3. Измерение пороговых напряжений коммутации 6.4. Измерение времени формирования пробоя 6.5. Измерение времени коммутации 6.



3. Выводы 7. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СУБНАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ 7.1. Введение. 7.2. Субнаносекундные компактные рентгеновские аппараты 7.2.1. Макет рентгеновского аппарата с гибким зондом-излучателем. 7.2.2. Коаксиальные кабели, использованные в макете рентгеновского аппарата 7.3. Взрывоэмиссионный диод и режимы его работы 7.4. Ресурс работы гибкого рентгеновского зонда-излучателя 7.5. Выводы 8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Основные результаты работы 9. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА 10. ЛИТЕРАТУРА ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы. На момент начала исследований, описанных в настоящей диссертационной работе, в литературе имелось очень ограниченное число публикаций, которые относились бы к физике импульсного пробоя в газе в субнаносекундной области времен. Среди первых зарубежных публикаций можно отметить, например, работы [1-4]. Прежде всего, это связано с тем, что только ограниченное число исследовательских групп имеют в наличии высоковольтную субнаносекундную технику и одновременно имеют опыт исследований в физике импульсного пробоя газов. В этих и других работах главным образом используется метод осциллографической регистрации явлений при пробое.

Между тем, подобные исследования стимулируются как с точки зрения фундаментальных вопросов физики пробоя, так и со стороны практических применений. В частности, область уже освоенных применений наносекундных импульсов чрезвычайно широка [5-9]. Среди наиболее иллюстративных применений наносекундных импульсов можно указать осуществление модуляции добротности твердотельных лазеров, накачку полупроводниковых лазеров, генерацию электронных пучков и рентгеновского излучения, генерацию микроволнового излучения в приборах релятивистской СВЧ электроники и т.д.

В принципе, таковы же применения субнаносекундных импульсов [10].

Однако в этой области оказывается возможным получать и совершенно уникальные эффекты. Например, использование более коротких импульсов для генерации электромагнитного излучения позволяет осуществлять широкополосную радиолокацию. Субнаносекундные пучки электронов и рентгеновского излучения являются уникальным инструментом для исследования физики взаимодействия излучения с веществом, когда время импульсного воздействия становится соизмеримым и даже меньше, чем характерные времена некоторых переходных процессов в газах и твердых телах.

Важным фактором является то, что электрическая прочность практически любой среды возрастает при уменьшении длительности импульса. В итоге оказывается возможным создавать малогабаритные импульсные рентгеновские аппараты и сверхминиатюрные рентгеновские трубки, которые имеют перспективы использования для внутриполостной диагностики.

Но при этом практическое использование субнаносекундных газовых разрядников значительно опережает понимание физики их работы. На сегодняшний день, по сути, нет полной физической картины их работы в субнаносекундном диапазоне, а сами разрядники разрабатываются эмпирически, путем проб и ошибок. А, следовательно, и не понятно, какую предельную скорость коммутации и за счет каких физических процессов можно получить. Т.е.

до конца не ясны и возможности практического применения таких разрядников.





Таким образом, исследования газового пробоя в субнаносекундном диапазоне времен, с одной стороны, представляют фундаментальный интерес для развития физики пробоя, а с другой стороны, сильно стимулируются потребностями высоковольтной импульсной техники. Фактически эти исследования проводились и проводятся сейчас параллельно с разработками генераторов высоковольтных импульсов с субнаносекундными фронтами.

Таким образом, предлагаемое направление работ в диссертации, безусловно, актуально.

Цель работы. Основным направлением работ в диссертации является исследование газового пробоя в условиях, когда реализуются субнаносекундные времена коммутации разрядного промежутка, а также исследование пробоя под воздействием импульсов субнаносекундной длительности. При этом будут использованы как традиционный метод осциллографической регистрации явлений при пробое, так и метод высокоскоростной электронно-оптической хронографии для наблюдения световых явлений в разряде. Особое внимание будет уделено изучению разряда в условиях, близким к условиям работы субнаносекундных газовых разрядников. Подробнее конкретные цели работ будут сформулированы во введениях к соответствующим главам.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Методом высокоскоростной электронно-оптической хронографии было исследовано свечение, сопровождающее пробой газа (в диапазоне давлений от до 40 атм) под действием импульсов напряжения с фронтом 1 нс и короче.

Оценены скорости волновых ионизационных процессов и изучена динамика развития волн ионизации на стадии формирования пробоя. Измерения проводились в условиях больших перенапряжений. На разрядный газовый промежуток от генератора импульсов подавались импульсы напряжения амплитудой 70 – 150 кВ.

2. Показано, что за счет распространения катодонаправленной волны ионизации, вблизи катода на предпробойной стадии на короткое время формируется область усиленного поля с напряженностью в 7-15 раз превышающей среднюю напряженность электрического поля в разрядном промежутке. В результате такого усиления поля, часть плазменных электронов может перейти в режим непрерывного ускорения.

3. Показано, что при субнаносекундном пробое сильноперенапряженных газовых промежутков высокого, вплоть до 40 атмосфер, давления в плазме газового разряда регистрируется пучок “быстрых” или “непрерывно ускоренных” электронов. При этом, “быстрые” электроны регистрируются во всех пробоях газового зазора, при которых между электродами образуется искра. Ранее при таких высоких давлениях газа “быстрые” электроны не регистрировались.

4. Впервые зарегистрирован откол материала с тыльной стороны анода под действием пучка быстрых электронов, формирующихся в газе высокого давления.

5. Проведен цикл экспериментов по измерению пороговых напряжений, при которых начинают регистрироваться существенные токи в газовом промежутке при воздействии субнаносекундных импульсов напряжения. Измерены времена формирования пробоя и времена и скорости коммутации в субнаносекундном диапазоне. Массив данных получен для широкого диапазона давлений (от атмосферного до 40 атм) и степени перенапряжения на разрядном газовом промежутке и может быть использован в качестве справочного при конструировании газовых разрядников высокого давления.

6. В субнаносекундном диапазоне получена зависимость потенциала зажигания в азоте от произведения давления на величину разрядного газового промежутка (кривая Пашена). Обнаружено, что в субнаносекундном диапазоне нарушен закон подобия. При одинаковом значении произведения давления на величину разрядного газового промежутка потенциал зажигания существенно зависит от давления газа в промежутке.

7. Показано, что в субнаносекундном диапазоне при неизменной ширине разрядного газового промежутка с ростом давления значительно падает перенапряжение на промежутке. При этом время формирования пробоя увеличивается лишь примерно на 40-50%, а время коммутации, и, соответственно, скорость коммутации остаются практически неизменными.

8. Показано, что за счет увеличения электрической прочности изоляционных элементов в субнаносекундном диапазоне можно создавать взрывоэмиссионные диоды диаметром до 9 мм, которые могут быть использованы в качестве рентгеновской трубки в компактных субнаносекундных рентгеновских аппаратах с гибким кабельным зондом-излучателем.

9. Показано, что взрывоэмиссионные диоды можно использовать в качестве источников субнаносекундного рентгеновского излучения в широком диапазоне амплитуд питающих диод субнаносекундных импульсов напряжения. При этом величина полученной дозы рентгеновского излучения в диодах с одинаковой конструкцией разрядного промежутка остается постоянной в широком диапазоне условий: от высокого вакуума (остаточный вакуум 10-5 Па) до газа низкого давления (1 Па).

Практическая ценность работы состоит в том, что:

во-первых, получены новые физические данные по механизмам инициирования и динамике развития субнаносекундного пробоя сильноперенапряженных газовых промежутков. Газовые разрядники высокого давления широко применяются в различной электрофизической аппаратуре нано и субнаносекундного диапазонов. Полученные данные могут быть полезными для разработчиков новых типов сверхбыстрых газовых коммутаторов;

во-вторых, экспериментально получен набор данных по пороговым напряжениям коммутации, временам формирования пробоя и временам и скоростям коммутации для широкого диапазона давлений газа и перенапряжений на промежутке. Эти данные оформлены в виде таблиц и графиков и могут быть непосредственно использованы при проектировании газовых коммутаторов в качестве справочного материала.

в-третьих, на базе малогабаритных генераторов импульсов напряжения серии РАДАН (РАДАН-303, РАДАН-ЭКСПЕРТ) разработаны лабораторные образцы субнаносекундного рентгеновского аппарата с миниатюрной трубкой излучателем, соединенной с источником высоковольтных импульсов напряжения посредством серийно выпускаемого тонкого гибкого 50-Омного низковольтного радиочастотного коаксиального кабеля (РК50) длиной 1 м. В качестве рентгеновского излучателя использовались миниатюрные взрывоэмиссионные диоды, также разработанные в рамках диссертационной работы. Были получены дозы субнаносекундного рентгеновского излучения в несколько десятков миллирентген за импульс. Генераторы РАДАН способны работать с частотой следования импульсов до 100 Гц, что позволяет накапливать дозу рентгеновского излучения до значений, необходимых для практического применения.

Взрывоэмиссионный диод может устойчиво работать в качестве субнаносекундного рентгеновского излучателя в диапазоне условий в разрядном промежутке: от высокого вакуума (остаточный вакуум 10-5 Па) до газа низкого давления (1 Па). При этом величина полученной дозы рентгеновского излучения остается постоянной. Основными преимуществами рентгеновского аппарата субнаносекундного диапазона с миниатюрной трубкой-излучателем, соединенной с источником высоковольтных импульсов напряжения посредством тонкого гибкого коаксиального кабеля по сравнению с традиционными наносекундными рентгеновскими аппаратами являются:

(а) Уменьшенные габариты и вес (от 10 до 32 кг в нашем исполнении). И эти параметры еще могут быть уменьшены при работе генератора импульсов при меньшем выходном напряжении в частотном режиме;

(б) Возможность подвести миниатюрную рентгеновскую трубку посредством гибкого тонкого длинного кабеля к труднодоступным объектам, облучение которых традиционными рентгеновскими аппаратами затруднено или невозможно.

Компактные субнаносекундные рентгеновские аппараты с гибким отпаянным зондом-излучателем, могут быть востребованными в медицине при близкофокусной рентгенотерапии онкологических заболеваний (тонкий рентгеновский зонд излучатель может быть доставлен к больному органу через небольшой хирургический разрез) и стать альтернативой изотопным зондам, применяемым в настоящее время. Кроме того, аппарат может использоваться в промышленности при неразрушающем контроле изделий с отверстиями малого диаметра и большой длины.

в-четвертых, разработанные для экспериментальных установок схемы субнаносекундной синхронизации, а также входящие в состав установок оригинальные приборы (например, генератор Аркадьева-Маркса с субнаносекундным фронтом и повышенной стабильностью временных параметров) и их отдельные узлы (например, кабельные линии задержки высоковольтных субнаносекундных импульсов) могут быть использованы в дальнейших экспериментах и в коммерческих версиях приборов.

Так с учетом полученного в диссертации опыта обострения фронта импульсов (от 20 нс до 0.3 нс, выходной узел генератора Аркадьева-Маркса) в лаборатории электронных ускорителей ИЭФ УрО РАН был по контракту изготовлен обостритель импульсов для университета в г. Сингапуре.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Субнаносекундная синхронизация высоковольтного генератора импульсов РАДАН 303 и электронно-оптической камеры, позволила впервые провести регистрацию свечения сопровождающего субнаносекундный пробой сильноперенапряженных газовых промежутков высокого давления. Были измерены скорости волновых ионизационных процессов и изучена динамика развития пробоя.

2. За счет распространения катодонаправленной волны ионизации, вблизи катода на предпробойной стадии на короткое (до 100 пс) время формируется область усиленного поля с напряженностью в 7-15 раз превышающей среднюю напряженность электрического поля в разрядном промежутке. В результате такого усиления поля, часть плазменных электронов может перейти в режим непрерывного ускорения.

3. Зарегистрирован пучок “быстрых” или “непрерывно ускоренных” электронов при субнаносекундном пробое сильноперенапряженных газовых промежутков высокого, вплоть до 40 атмосфер, давления. При этом, “быстрые” электроны регистрируются во всех пробоях газового зазора, при которых между электродами образуется искра. Ранее при таких высоких давлениях газа “быстрые” электроны не регистрировались.

4. Обнаружен откол материала с тыльной стороны анода под действием пучка “быстрых” электронов, формирующихся в газовом разряде высокого давления.

5. Получен массив данных по пороговым напряжениям коммутации, при которых начинают регистрироваться существенные токи в газовом промежутке при воздействии субнаносекундных импульсов напряжения;

временам формирования пробоя;

временам и скоростям коммутации в субнаносекундном диапазоне.

Данные получены для широкого диапазона давлений (от атмосферного до 40 атм) и степени перенапряжения на разрядном газовом промежутке и могут быть использованы при проектировании газовых коммутаторов в качестве справочного материала.

6. Зависимость потенциала зажигания в азоте от произведения давления на величину разрядного газового промежутка (кривая Пашена) полученная для субнаносекундного диапазона показывает, что в субнаносекундном диапазоне нарушен закон подобия: при одинаковом значении произведения давления на величину разрядного газового промежутка потенциал зажигания существенно зависит от давления газа в промежутке.

7. Увеличение электрической прочности изоляционных элементов в субнаносекундном диапазоне позволило создать взрывоэмиссионные диоды диаметром до 9 мм, которые могут быть использованы в качестве рентгеновской трубки в компактных субнаносекундных рентгеновских аппаратах с гибким кабельным зондом-излучателем.

8. Величина полученной дозы рентгеновского излучения у взрывоэмиссионных диодов с одинаковой конструкцией разрядного промежутка остается постоянной в широком диапазоне условий: от высокого вакуума (остаточный вакуум 10-5 Па) до газа низкого давления (1 Па).

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции “Генерирование мощного микроволнового излучения и коротких импульсов (Int. Workshop on High Power Microwave Generation and Pulse Shortening)” (Эдинбург, Великобритания, 1997);

13 Международной конференции “Газовые разряды и их применения” (Глазго, Великобритания, 2000);

12, 13, 14, 15 Международным симпозиумам по сильноточной электронике (Томск, Россия, 2000, 2004, 2006, 2008);

Международной конференции “Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество” (п. Эльбрус, Кабардино-Балкария, Россия, 2005), 21 Международной конференции “Уравнения состояния вещества” (п. Эльбрус, Кабардино-Балкария, Россия, 2006);

11 Международной конференции “Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул” (Томск, Россия, 2013);

11 Международной конференции “Газоразрядная плазма и ее применения” (Томск, Россия, 2013).

Исследования были поддержаны восемью грантами (в пяти из них диссертант был руководителем):

Гранты РФФИ:

№99-02-16462-а “Cубнаносекундный импульсный электрический пробой сильно перенапряженных вакуумных и газовых промежутков” (исполнитель);

№04-02-08038-офи “Разработка и создание лабораторного образца рентгеновского аппарата на основе миниатюрной рентгеновской трубки” (исполнитель);

№05-02-16477-а “Исследование пробоя сильно перенапряженных газовых промежутков при субнаносекундных временах нарастания тока” (руководитель);

№08-02-00982-а “Исследование динамики развития субнаносекундного импульсного электрического пробоя сильно перенапряженных газовых промежутков высокого давления” (исполнитель);

№09-08-00374-а “Исследование коммутационных характеристик нано и субнаносекундных газовых разрядников высокого давления” (руководитель);

№12-08-00282-а “Исследование перехода электронов в режим непрерывного ускорения при субнаносекундном импульсном электрическом пробое в газах высокого давления” (руководитель).

Гранты Уральского отделения РАН:

Интеграционный проект (2006-2008 гг.) фундаментальных исследований, выполняемых в УрО РАН совместно с учеными СО и ДВО РАН “Исследование импульсного электрического пробоя газовых промежутков высокого давления при больших перенапряжениях” (руководитель, задействовано 2 лаборатории:

одна из ИЭФ УрО РАН и одна из ИСЭ СО РАН).

Интеграционный проект (2009-2011 гг.) фундаментальных исследований, выполняемых в УрО РАН совместно с учеными СО и ДВО РАН “Исследование механизмов инициирования импульсных и стационарных газовых разрядов” (руководитель, задействовано 4 лаборатории: 3 из ИЭФ УрО РАН и одна из ИСЭ СО РАН).

Личный вклад автора. Постановка задач исследований, проведение экспериментов и анализ полученных результатов;

разработка основных конструктивных решений, использованных в экспериментальных установках и лабораторных макетах малогабаритных субнаносекундных рентгеновских аппаратов. В постановке задач по созданию экспериментальной установки для электронно-оптической регистрации свечения, сопровождающего субнаносекундный пробой сильноперенапряженных газовых промежутков, принимали активное участие члены-корреспонденты РАН В.Г. Шпак и М.И.

Яландин. Для экспериментов сотрудниками лаборатории электронных ускорителей ИЭФ УрО РАН были предоставлены генераторы РАДАН-303, РАДАН-ЭКСПЕРТ и субнаносекундный формирователь импульсов. Остальное нестандартное оборудование (генераторы Аркадьева-Маркса с субнаносекундным фронтом и повышенной стабильностью временных параметров, высоковольтные линии задержки, экспериментальные камеры и т.д.) разрабатывалось и изготавливалось автором диссертационной работы. В интерпретации экспериментальных результатов по электронно-оптической регистрации свечения, сопровождающего пробой сильноперенапряженных газовых промежутков, принимал активное участие к.ф.-м.н. В.В. Лисенков. Соавторы, принимавшие участие в отдельных направлениях исследований, указаны в списке основных публикаций автора по теме диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.

Публикации. Основные результаты работы изложены в 31 публикации, в том числе в 16 статьях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, раздела “Используемая терминология и исходные пункты для формулировки задач диссертационной работы”, пяти глав и заключения. Она изложена на страницах, включая 86 рисунков, 3 таблицы и список литературы из наименований.

Краткое содержание диссертации.

Во ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность темы диссертационной работы, кратко раскрывается содержание рассматриваемых в ней задач, формулируются цели работы, ее научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В разделе ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ И ИСХОДНЫЕ ПУНКТЫ ДЛЯ ФОРМУЛИРОВКИ ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ приведена общепринятая на сегодняшний день терминология описания импульсного газового пробоя. Кроме того, в разделе дан небольшой обзор наиболее важных из ранее полученных результатов по физике нано и субнаносекундного пробоя, которые были использованы в качестве исходных пунктов при формулировке задач настоящей диссертационной работы.

В ПЕРВОЙ главе дается описание специально разработанной и изготовленной для выполнения диссертационной работы экспериментальной установки, предназначенной для исследования динамики развития субнаносекундного электрического пробоя газовых промежутков методом высокоскоростной электронно-оптической хронографии. Установка позволяет проводить синхронную осциллографическую регистрацию нано и субнаносекундных импульсов напряжения (длительность импульса 0.2 - 4 нс) и тока в исследуемом газовом промежутке с электронно-оптической хронографией свечения, сопровождающего предпробойные и пробойные процессы в газе.

Высокоскоростная электронно-оптическая хронография в настоящее время является единственным методом, позволяющим определить область зарождения пробоя внутри разрядного промежутка и исследовать динамику развития инициирующих пробой процессов.

Из-за большого объема изложенного материала и сложности входящих в установку приборов и узлов, описание установки было выделено в отдельную главу. Другие экспериментальные установки, разработанные для выполнения диссертации, описаны в соответствующих тематических главах в виде подразделов.

Во ВТОРОЙ главе впервые методом высокоскоростной электронно оптической хронографии было исследовано свечение, сопровождающее пробой газа (в диапазоне давлений от 4 до 40 атм) под действием импульсов напряжения с фронтом 1 нс и короче. При этом на разрядный газовый промежуток от генератора импульсов подавались импульсы напряжения амплитудой 70 – 150 кВ.

Т.е. эксперименты проводились в условиях высоких перенапряжений.

На предпробойной стадии в эксперименте наблюдались волновые процессы, развивающиеся в газовом промежутке. Были измерены скорости ионизационных волн. Было показано, что длительность предпробойной стадии и динамика волновых ионизационных процессов на предпробойной стадии коренным образом зависят от начального распределения инициирующих электронов в разрядном промежутке. Было показано, что за счет распространения катодонаправленной волны ионизации, вблизи катода на предпробойной стадии на короткое время формируется область усиленного поля с напряженностью в 7-15 раз превышающей среднюю напряженность электрического поля в промежутке. В результате такого усиления поля часть плазменных электронов может перейти в режим непрерывного ускорения. Было проведено численное моделирование развития процессов в газе в стадии запаздывания пробоя. При этом решалась система уравнений баланса для концентраций электронов, ионов и возбужденных молекул совместно с уравнением Пуассона. Кинетические коэффициенты, зависящие от электрического поля, в том числе вероятность ухода электронов в режим убегания, получались в результате моделирования движения электронов методом Монте-Карло. Результаты моделирования находятся в качественном согласии с результатами эксперимента.

Главными отличительными особенностями измерений, описанных в настоящей главе, от ранее выполненных методом электронно-оптической регистрации измерений в микро и наносекундном диапазонах [11-26] являются:

1. время запаздывания пробоя составляет 1 нс и менее, т.е. соизмеримо с длительностью фронта напряжения, прикладываемого к промежутку. В отличие от классических измерений, здесь напряжение на промежутке в стадии запаздывания не является постоянным. Фактически предпробойные явления развиваются одновременно с нарастанием напряжения на промежутке, т.е. пробой происходит непосредственно на фронте импульса напряжения. В этом состоит одна из трудностей, как в методике измерений, так и в интерпретации результатов;

2. более высокие давления газа (от 4 до 40 атм);

3. значительно более высокие перенапряжения (в 2-5 раз по сравнению со статическим пробоем).

В ТРЕТЬЕЙ главе были проведены эксперименты по регистрации “быстрых” электронов в азоте высокого, вплоть до 40 атм давления. Для этих целей была сконструирована и изготовлена экспериментальная установка.

Эксперименты проводились в условиях однородного поля в газовом промежутке.

Было показано, что при субнаносекундном пробое сильноперенапряженных газовых промежутков высокого, вплоть до 40 атмосфер, давления в плазме газового разряда регистрируется пучок “быстрых” электронов. При этом, “быстрые” электроны регистрируются во всех пробоях газового зазора, при которых между электродами образуется искра.

Ранее при таких высоких давлениях газа “быстрые” электроны не регистрировались. Поскольку все современные газовые разрядники работают при давлениях газа в десятки атм, а азот, в настоящее время, наиболее широко применяется в качестве рабочего газа в нано- и субнаносекундных разрядниках высокого давления, исследования режима непрерывного ускорения электронов при таких высоких давлениях, представляются крайне интересными. Создание оптимальных условий для перехода электронов в режим непрерывного ускорения может существенно увеличивать скорость формирования пробоя, что позволит создавать новые типы сверхбыстрых газовых коммутаторов высокого давления.

Впервые был зарегистрирован откол материала с тыльной стороны анода (алюминиевая фольга толщиной 9 мкм) под действием пучка быстрых электронов формирующихся в газе высокого давления. Пучок высокоэнергетичных электронов при прохождении через фольгу вызывает локальную деформацию материала и вырывает с обратной стороны фольги кусочки металла. При этом фольга остается целой. Отверстия в ней не образовываются. Процесс очень похож на откол материала с обратной стороны мишени, попавшей в нее пулей. Тыльный откол материала анода под действием пучка непрерывно ускоренных электронов в газах до настоящего времени не наблюдался.

В ЧЕТВЕРТОЙ главе проведены экспериментальные исследования поведения газового промежутка при приложении к нему субнаносекундных импульсов напряжения. В настоящее время в литературе практически нет работ по этой проблеме. Любая информация, даже просто определение пороговых напряжений пробоя при воздействии субнаносекундных импульсов амплитудой свыше 100 кВ, представляет существенный интерес. Поэтому здесь основная идея работы сводилась к накоплению новой экспериментальной информации по пробою под действием субнаносекундных импульсов.

В этих экспериментах на разрядный газовый промежуток подавался субнаносекундный импульс высокого напряжения с фиксированными в течение всего эксперимента параметрами. В эксперименте менялись величина зазора катод-анод (с шагом в 0.1 – 0.2 мм) и давление газа. Эксперимент начинался при минимальном зазоре в 0.25 мм и увеличивался при фиксированном давлении газа с указанным выше шагом до тех пор, пока газовый промежуток не переставал пробиваться. Потом этот эксперимент повторялся при другом давлении газа.

Эксперименты проводились при атмосферном давлении, 5 атм, 10 атм, 20 атм, атм и 40 атм. В результате, был получен набор данных по пороговым напряжениям, при которых начинают регистрироваться существенные токи в газовом промежутке при воздействии субнаносекундных импульсов;

временам формирования пробоя и временам и скоростям коммутации в зависимости от перенапряжения промежутка. Эти данные легко обрабатывать и обобщать, поскольку использовались один и тот же генератор импульсов, электроды и газовый зазор одной конфигурации, и одна схема регистрации. Следует отметить, что ранее такие эксперименты не проводились даже в хорошо изученном наносекундном диапазоне. Данные накапливались в разных экспериментах, в которых использовались генераторы разных типов, разная измерительная аппаратура, кабели, делители напряжения, а затем уже результаты обобщались. В итоге, в данных, полученных различными экспериментальными группами, часто наблюдались различия и не стыковки.

Была получена зависимость порогового напряжения коммутации в азоте от произведения давления p на величину разрядного газового промежутка d (кривая Пашена [27]) для субнаносекундного диапазона. В литературе [27] пороговые напряжения коммутации еще часто называют пробивающими напряжениями или потенциалом зажигания. При этом потенциал зажигания определяется только произведением pd. В этом проявляется закон подобия. Было показано, что в субнаносекундном диапазоне закон подобия нарушен. При одинаковом значении произведения давления на величину разрядного газового промежутка потенциал зажигания существенно зависит от давления газа в промежутке.

В ПЯТОЙ главе было показано одно из практических применений субнаносекундных импульсов напряжения. Известно, что электрическая прочность практически любой среды возрастает при уменьшении длительности импульса. В итоге в субнаносекундном диапазоне оказывается возможным создавать уникальные малогабаритные импульсные электрофизические устройства, разработка которых уже в наносекундном диапазоне оказывается невозможной. Одним из таких приборов является импульсный рентгеновский аппарат с миниатюрной трубкой-излучателем, соединенной с источником высоковольтных импульсов напряжения посредством тонкого длинного гибкого низковольтного коаксиального кабеля.

На базе малогабаритных генераторов импульсов напряжения серии РАДАН (РАДАН-303, РАДАН-ЭКСПЕРТ) были разработаны лабораторные образцы такого аппарата. Миниатюрная трубка-излучатель, соединялась с источником высоковольтных импульсов напряжения посредством серийно выпускаемого тонкого гибкого 50-Омного низковольтного радиочастотного коаксиального кабеля (РК50) длиной 1 м. В качестве рентгеновского излучателя использовались миниатюрные взрывоэмиссионные диоды. Были получены дозы субнаносекундного рентгеновского излучения в несколько десятков миллирентген за импульс. Генераторы РАДАН способны работать с частотой следования импульсов до 100 Гц, что позволяет накапливать дозу рентгеновского излучения до значений, необходимых для практического применения. Основными преимуществами рентгеновского аппарата субнаносекундного диапазона с миниатюрной рентгеновской трубкой, соединенной с источником высоковольтных импульсов напряжения посредством тонкого гибкого коаксиального кабеля по сравнению с традиционными наносекундными рентгеновскими аппаратами являются:

(а) Уменьшенные габариты и вес (от 10 до 32 кг в нашем исполнении). И эти параметры еще могут быть уменьшены при работе генератора импульсов при меньшем выходном напряжении в частотном режиме;

(б) Возможность подвести миниатюрную рентгеновскую трубку посредством гибкого тонкого длинного кабеля к труднодоступным объектам, облучение которых традиционными рентгеновскими аппаратами затруднено или невозможно.

Компактные субнаносекундные рентгеновские аппараты с гибким отпаянным зондом-излучателем, могут быть востребованными в медицине при близкофокусной рентгенотерапии онкологических заболеваний (тонкий рентгеновский зонд излучатель может быть доставлен к больному органу через небольшой хирургический разрез) и стать альтернативой изотопным зондам, применяемым в настоящее время. Кроме того, аппарат может использоваться в промышленности при неразрушающем контроле изделий с отверстиями малого диаметра и большой длины.

Было показано, что взрывоэмиссионные диоды можно использовать в качестве источников субнаносекундного рентгеновского излучения в широком диапазоне параметров питающих диод импульсов высокого напряжения. При этом взрывоэмиссионный диод может устойчиво работать в качестве субнаносекундного рентгеновского излучателя в широком диапазоне условий в разрядном промежутке: от высокого вакуума (остаточный вакуум 10-5 Па) до газа низкого давления (1 Па). При этом величина полученной дозы рентгеновского излучения остается постоянной. На сегодняшний день нет серийно выпускаемых рентгеновских трубок с холодным катодом, которые работают при таких высоких давлениях газа в разрядном промежутке.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты и выводы, полученные в работе.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ И ИСХОДНЫЕ ПУНКТЫ ДЛЯ ФОРМУЛИРОВКИ ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Исследования пробоя газов под воздействием импульсного напряжения являются традиционным разделом физики плазмы. Именно в подобных исследованиях были установлены таунсендовский и стримерный механизмы пробоя.

Соответствующие результаты обобщены в классических монографиях [11, 28], которые не потеряли своей значимости, о чем говорит большое число ссылок на эти монографии в журнальных публикациях.

Вместе с тем, к настоящему времени объем информации по физике импульсного пробоя существенно возрос. С одной стороны, это относится к более детальному изучению таунсендовского и стримерного механизмов на основе современной техники эксперимента, а с другой – обнаружены новые фундаментальные закономерности и, соответственно, возникли новые интенсивно развивающиеся области исследований.

При импульсном пробое газов между моментом приложения напряжения к промежутку и началом пробоя, которое обычно фиксируется по резкому спаду напряжения, проходит некоторое время, называемое временем запаздывания пробоя td [9, 29, 30]. Явления в стадии запаздывания принято характеризовать как предпробойные в отличие от стадии непосредственного развития пробоя, когда происходит необратимый резкий рост тока и спад напряжения на электродах.

Тогда время спада напряжения на электродах, т.е. время перехода в сильноточную стадию разряда, часто называют временем коммутации.

Очевидно, что для того, чтобы в стадии запаздывания начались ионизационные явления, в промежутке должен возникнуть хотя бы один инициирующий электрон. Поэтому принято разбивать время td на две составляющие: статистическое время запаздывания tst, в течение которого возникает такой электрон, и время формирования пробоя tform. В стадии формирования за счет развития первичной электронной лавины и последующих ионизационных явлений происходит рост проводимости до таких значений, когда начало спада напряжения, т.е. начало пробоя, уже можно легко зарегистрировать (например, когда ток достигает 10 процентов от тока короткого замыкания генератора импульсов). Ясно, что приведенное разделение в значительной степени условно, поскольку уровень тока, определяющий спад напряжения зависит от сопротивления внешней электрической цепи. Соответственно, спад напряжения может быть вызван различными процессами, ответственными за рост концентрации заряженных частиц. Однако описанная терминология является общепринятой, и я буду использовать ее ниже.

Время формирования пробоя определяется интенсивностью ионизации в газоразрядном промежутке, т.е. приведенной к давлению напряженностью электрического поля. В свою очередь, в качестве внешнего параметра, характеризующего уровень электрического поля в зазоре, удобно использовать коэффициент перенапряжения K, который показывает превышение импульсного напряжения на промежутке над напряжением статического пробоя. Для больших K (в случае так называемого пробоя сильно перенапряженных промежутков) время формирования лежит в наносекундном и даже субнаносекундном диапазонах. Это значит, что для исследований пробоя при высоких перенапряжениях необходимо иметь высоковольтные импульсы с длительность фронта около одной наносекунды и менее. В типичных схемах формирования таких импульсов в качестве накопительных и передающих элементов используются коаксиальные линии, а в качестве коммутирующих элементов искровые разрядники высокого давления. Разрядник должен обеспечить нано или субнаносекундное время коммутации.

Таким образом, исследования пробоя в нано и субнаносекундном диапазоне времен, с одной стороны, представляют интерес для развития физики пробоя, а с другой стороны, сильно стимулировались потребностями высоковольтной импульсной техники. Фактически, исследования пробоя сильно перенапряженных промежутков проводились параллельно с разработками генераторов высоковольтных импульсов с нано и субнаносекундными фронтами. При этом, как правило, сначала создавался сам генератор, а потом уже на нем проводились эксперименты. То есть техническая часть развивалась несколько быстрее, чем закладывались физические основы понимания процессов, ответственных за развитие пробоя.

В большинстве ранних работ основным источником информации о механизмах пробоя были измерения времени запаздывания пробоя и времени коммутации. Такой подход не позволял дать однозначную трактовку явлений.

Существенный прогресс в экспериментальных исследованиях оказался возможным благодаря применению скоростных оптических методов, позволивших к концу 1960-х годов достигнуть высокого уровня понимания сущности таунсендовского и стримерного механизмов пробоя. В частности, было показано, что перенапряжение в значительной мере влияет на механизм пробоя.

Однако большинство ранних экспериментов проводилось в условиях небольших перенапряжений (единицы и десятки процентов).

К настоящему времени получены значительные результаты в области физики пробоя сильно перенапряженных промежутков в наносекундном диапазоне. Большинство данных получено для импульсов напряжения в десятки, а в некоторых случаях и в сотни киловольт. Эти данные обобщены в монографиях [30-32]. Среди наиболее важных результатов, которые использованы в качестве исходных пунктов при формулировке задач настоящей диссертационной работы, можно выделить следующие:

1. Достигнуто понимание механизмов возникновения начальных электронов в высоких электрических полях [30, 32].

2. Вскрыта роль автоэмиссионных и взрывоэмиссионных процессов в инициировании пробоя и в последующих стадиях его развития [31].

3. Открыты и детально исследованы новые формы разрядов, в частности, импульсный объемный разряд в газах при высоком давлении [30, 32].

4. Обнаружено, что даже при высоких давлениях газа порядка атмосферного часть электронов может переходить из режима дрейфа в режим непрерывного ускорения [30, 32-34].

5. Наконец, очень важным фактом явилось осознание того, что в области очень высоких перенапряжений при приложении к промежутку импульса с фронтом около 1 нс можно получить условия, когда время коммутации становится существенно меньше 1 нс. Фактически, этот результат открыл путь к созданию высоковольтных генераторов импульсов субнаносекундной длительности [35-39]. С другой стороны, появление данного инструмента позволяет изучать пробой сильно перенапряженных промежутков в субнаносекундной области времен, когда к исследуемому промежутку прикладывается импульс с фронтом в доли наносекунды [40-41].

Нано и субнаносекундные высоковольтные импульсы сейчас широко применяются в различной электрофизической аппаратуре. Среди наиболее иллюстративных применений нано и субнаносекундных импульсов можно указать осуществление модуляции добротности твердотельных лазеров, накачку полупроводниковых лазеров, генерацию электронных пучков и рентгеновского излучения, генерацию микроволнового излучения в приборах релятивистской СВЧ электроники и т.д. Но при этом практическое использование субнаносекундных газовых разрядников значительно опережает понимание физики их работы. На сегодняшний день, по сути, нет полной физической картины их работы в субнаносекундном диапазоне, а сами разрядники разрабатываются эмпирически, путем проб и ошибок. А, следовательно, и не понятно, какую предельную скорость коммутации и за счет каких физических процессов можно получить. Т.е. до конца не ясны и возможности практического применения таких разрядников. Таким образом, исследования газового пробоя в субнаносекундном диапазоне времен, с одной стороны, представляют фундаментальный интерес для развития физики пробоя, а с другой стороны, сильно стимулируются потребностями высоковольтной импульсной техники.

Фактически эти исследования проводились и проводятся сейчас параллельно с разработками генераторов высоковольтных импульсов с субнаносекундными фронтами.

Хотя общие принципы достижения субнаносекундной коммутации в целом понятны, но детальная картина разрядных явлений на стадии запаздывания пробоя при напряжениях в сотни киловольт остается далеко не очевидной.

Основным направлением работ в представленной диссертации является исследование пробоя в условиях, когда реализуются субнаносекундные времена коммутации промежутка, а также исследования пробоя под воздействием импульсов субнаносекундной длительности, что и определяет ее актуальность.

Подробно конкретные задачи исследований и подходы к их решению будут сформулированы во введениях к каждой конкретной главе диссертации.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ СУБНАНОСЕКУНДНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ ГАЗОВЫХ ПРОМЕЖУТКОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ХРОНОГРАФИИ 3.1. Введение В настоящей главе представлена специально сконструированная экспериментальная установка, предназначенная для исследования динамики инициирования субнаносекундного газового пробоя методом высокоскоростной хронографической электронно-оптической фотографии.

В экспериментах на исследуемый газоразрядный промежуток от высоковольтного импульсного генератора (ГИ) подается импульс длительностью (0.2-4) нс с регулируемыми напряжением (20-180) кВ и скоростью нарастания напряжения на фронте (6х1013 - 7х1014) В/с. Величина и форма тока пробоя регистрируются широкополосным осциллографом. Одновременно с помощью скоростной электронно-оптической камеры фотографируется свечение, сопровождающее предпробойные и пробойные процессы в газовом промежутке.

Понятно, что электронно-оптическая хронография [42 - 44] является единственным методом, позволяющим определить область зарождения пробоя внутри промежутка и определить динамику и скорость развития волновых ионизационных процессов на предпробойной стадии.

3.2. Схема синхронизации эксперимента Использование электронно-оптической камеры (ЭОП) и широкополосных осциллографов определяет основную сложность экспериментов, поскольку требуется обеспечить опережающий запуск генераторов разверток данной регистрирующей аппаратуры, имеющих мертвое время от 30 до 50 нс. На рис. 3. показано два возможных варианта построения установки.

(а) Импульс запуска АГАТ-СФЗМ Испытательная ЛЗ ГИ камера Скоростной осциллограф Импульс запуска (б) Импульс запуска АГАТ-СФЗМ Испытательная ГЗИ ГИ ЛЗ камера Скоростной осциллограф Импульс запуска Рис. 3.1. Схемы синхронизации ГИ и измерительной аппаратуры. ГИ – генератор импульсов напряжения;

ЛЗ - высоковольтная передающая линия;

ГЗИ – генератор запускающих высоковольтных импульсов, АГАТ – СФ3М - электронно оптическая камера хронографического типа.

В первом случае (рис. 3.1,а) генератор импульсов ГИ – это генератор с неуправляемым коммутатором. Он подключается к испытательной камере, содержащей разрядный газовый промежуток, с помощью высоковольтной передающей линии (ЛЗ), время задержки которой (~50 нс) компенсирует задержку запуска измерительной аппаратуры. При простоте этого варианта имеется два существенных недостатка. Во-первых, неуправляемый газоразрядный коммутатор наносекундной ступени ГИ обычно обеспечивает стабильность амплитуды выходных импульсов не выше, чем единицы - десяток процентов. Т.е.

при такой схеме эксперимента невозможно точно зафиксировать амплитуду Обостритель ЛЗ импульсов ГЗИ 5- Осциллограф Агат- РАДАН 303А СФЗМ Трехэлектродный Испытательная Обостритель управляемый разрядник камера импульсов с искажением поля Рис. 3.2. Блок схема экспериментального комплекса.

импульса напряжения на разрядном газовом промежутке. Во-вторых, наличие длинной (как правило маслонаполненной) передающей линии между ГИ и испытательной камерой существенно искажает форму исходного короткого высоковольтного импульса: снижает амплитуду, затягивает субнаносекундный фронт.

Поэтому для экспериментов был выбран второй возможный вариант построения экспериментальной установки. Блок схема эксперимента показана на рис. 3.1,б. В этом случае установка оказывается значительно сложнее, поскольку в ее составе применен ГИ с управляемым коммутатором (разрядником), который запускается от дополнительного генератора запускающих высоковольтных импульсов (ГЗИ). Вместе с тем, этот вариант построения эксперимента имеет очевидные преимущества. Формируемый ГИ высоковольтный субнаносекундный импульс подается на испытательную камеру по короткой передающей линии с минимальными искажениями, а управляемый коммутатор кроме синхронизации регистрирующей аппаратуры, одновременно решает проблему стабилизации амплитуды выходных импульсов. Требования же к высоковольтной линии задержки в данном случае менее жесткие, как с точки зрения электрической прочности, так и требований “не искажения” формы передаваемого высоковольтного импульса.

Основой экспериментальной установки (рис. 3.2) является 4-х наносекундный малогабаритный ГИ РАДАН-303А [35, 45]. Генератор имеет следующие характеристики:

Выходное напряжение на 50 Ом нагрузке 20-180 кВ Выходное сопротивление 50 Ом Длительность импульса 4 нс Длительность фронта и спада импульса ~1 нс Максимальная частота следования импульсов:

непрерывный режим 10 Гц кратковременный режим (работа 10 мин/ пауза 20 мин) 25 Гц (работа 10 сек/ пауза 20 мин) 100 Гц Вес 28 кг Размеры 405х190х660 мм Питание 220 В, 50/60 Гц.

Генератор оборудован электрически-управляемым трехэлектродным разрядником с искажением поля [46]. На выходе РАДАН-303А установлен обостритель импульсов с обостряющим и срезающим азотными разрядниками высокого давления [37]. После обострения импульс генератора подается в испытательную камеру (рис. 3.3, 3.4) с газоразрядным промежутком, рассчитанную на давление до 100 атм. Камера оборудована емкостными датчиками (с разъемами N типа), позволяющими контролировать напряжение на электродах и ток пробоя, а также прозрачными боковыми окнами для электронно-оптической фотосъемки свечения, сопровождающего пробой газового промежутка.

5 3 6 7 8 Рис. 3.3. Испытательная камера. 1 - входной изолятор;

2 – дополнительный обостряющий зазор;

3,6 и 11 - емкостные делители;

4 - окно диаметром 10 мм (оргстекло);

5,9 - поддерживающие изоляторы;

8,10 - окна диаметром 20 мм (стекло);

12 - механизм перемещения электрода;

13 - передающая коаксиальная нагрузочная линия.

Рис. 3.4. Фотография испытательной камеры.

Наносекундный генератор РАДАН-303А представляет собой двойную формирующую линию (ДФЛ) с выходным сопротивлением ~50 Ом, заряжаемую до максимального напряжения 200 кВ с помощью трансформатора Тесла за время ~ 8 мкс. Коммутатор ДФЛ (управляемый азотный разрядник высокого давления) установлен между промежуточным потенциальным и наружным заземленным электродами. Поскольку один из электродов разрядника заземлен, то ввод короткого управляющего импульса предельно упрощен. При этом для обеспечения субнаносекундной синхронизации, должно обеспечиваться опережающее развитие субнаносекундного пробоя между пусковым электродом и противоположным ему электродом, находящемся под положительным потенциалом. Это возможно только при фронтах запускающего высоковольтного импульса в несколько сот пс. Как было показано в экспериментах [46, 47], используемый трехэлектродный электрически-управляемый разрядник с искажением поля обеспечивает точность включения генератора РАДАН-303А до 200 пс, что вполне достаточно для экспериментов по электронно-оптической фотосъемке свечения, сопровождающего пробой разрядного газового промежутка.

Для запуска управляемого разрядника был разработан высоковольтный ГЗИ [36, 39], выполненный по схеме Аркадьева-Маркса с восемью ступенями умножения напряжения. Коммутатором первой ступени является тиратрон ТГИ1 1000/25. На выходе ГЗИ оборудован дополнительным обострителем импульсов.

Конструкция обострителя идентична используемому на выходе наносекундного генератора РАДАН-303А. ГЗИ формирует импульс управления со следующими параметрами:

Амплитуда на нагрузке 50 Ом составляет 50 кВ;

Длительность фронта - не более 0.3 нс;

Длительность импульса - 0.5 нс;

Нестабильность задержки фронта выходного импульса (импульса запуска) относительно низковольтного импульса, запускающего тиратрон, не более 10 нс (около 90% импульсов имеют нестабильность порядка 1-2 нс).

Запуск электрически-управляемого трехэлектродного разрядника генератора РАДАН-303А высоковольтным импульсом запуска с такой временной нестабильностью позволяет стабилизировать выходное напряжение наносекундной ступени ГИ на уровне долей процента, а, следовательно, и напряжение на разрядном промежутке. Это крайне важно в экспериментах по газовому пробою, поскольку необходимо сравнивать результаты, полученные при пробоях от импульса к импульсу и при этом быть уверенным, что пробой Импульс управления 10В РАДАН- t зад + 3 мкс _ Выход генератора 15В Г5- Выход ГЗИ 0.5 нс 50 кВ Выход ЛЗ 50 нс Форма напряжения зарядки формирующей +3 мкс _ 200 кВ линии Выход ГИ 0.2-4 нс 20-150 кВ Напряжение развертки ЭОП Рис. 3.5. Эпюры напряжений, иллюстрирующие работу схемы синхронизации.

происходил в одинаковых условиях (при одной амплитуде и форме импульса).

Подробно конструкция ГЗИ будет описана ниже.

На рис. 3.5 схематически представлены эпюры импульсов напряжений, иллюстрирующие работу схемы синхронизации установки. Задающим таймером системы является блок управления РАДАН-303А, формирующий исходный низковольтный (10 В) импульс управления. Этот импульс после задержки стандартным генератором Г5-54 используется для запуска тиратрона высоковольтного ГЗИ. Регулировка задержки выходного импульса Г5- относительно импульса управления РАДАН-303А позволяет плавно менять привязку импульса ГЗИ к зарядной кривой формирующей линии генератора РАДАН-303А, то есть менять момент срабатывания трехэлектродного управляемого разрядника. Тем самым обеспечивается управление амплитудой выходного импульса (напряжением на газовом промежутке). Синхроимпульс, запускающий генератор развертки электронно-оптической камеры АГАТ-СФЗМ, формируется емкостным делителем, встроенным в коаксиальный тракт на выходе ГЗИ. Делитель оборудован разъемом N типа. В соответствии с принятой нами схемой синхронизации установки (рис. 3.1,б) между ГЗИ и управляемым разрядником установлена высоковольтная линия задержки (ЛЗ). ЛЗ была изготовлена в двух вариантах: в виде спиральной коаксиальной воздушной 50 Омной линии и на основе радиочастотного кабеля PK50-11-11 [48].

3.3. Генератор поджигающих импульсов Электронно-оптическая камера имеет рабочий участок развертки 30 мм. При этом из-за повышенных искажений не рекомендуется использовать начальный и конечный участки фоторазвертки (примерно по 10% от шкалы). На поддиапазонах развертки 0.5 нс/см и 1 нс/см максимальный измеряемый интервал tmax составляет –9 – 1.2 х 10 нс и 2.5 х 10 нс, соответственно. Поэтому для экспериментов по электронно-оптической фотосъемке свечения, сопровождающего субнаносекундный пробой газового промежутка, необходимо обеспечить такую точность включения генератора РАДАН-303А, чтобы его выходной импульс попал во временные “ворота” шириной 1.2-2.5 нс.

Для того чтобы обеспечить такую точность включения, нужен импульс управления, запускающий трехэлектродный электрически-управляемый разрядник с искажением поля, со следующими параметрами:

1. Амплитуда не менее 30 кВ;

2. Длительность импульса 0.5-1 нс (увеличение длительности синхроимпульса ведет к необходимости усиления электроизоляции передающих высоковольтных коаксиальных трактов и усложнению их конструкции);

3. Длительностью фронта импульса 300-400 пс;

4. Нестабильность задержки (джиттер) фронта высоковольтного импульса управления относительно низковольтного импульса, запускающего всю схему синхронизации, не более 1-2 нс.

Выполнить первые три требования не представляет особых проблем. Гораздо сложнее обеспечить четвертый из вышеперечисленных пунктов.

В диссертационной работе специально были разработаны генераторы запускающих высоковольтных наносекундных импульсов с субнаносекундным фронтом и повышенной стабильностью временных параметров. В результате удалось обеспечить джиттер фронта выходного высоковольтного импульса относительно низковольтного импульса запускающего всю схему синхронизации эксперимента на уровне 1-2 нс. Генераторы были выполнены по схеме Аркадьева Маркса в двух модификациях.

Принципиальная электрическая схема первого генератора высоковольтных запускающих импульсов напряжения представлена на рис. 3.6а. Внешний вид генератора – на рис. 3.7. Он представляет собой восьми ступенчатый генератор Аркадьева-Маркса. Его основным отличием от схем, разработанных ранее, является использование импульсного тиратрона ТГИ1-1000/25 в качестве коммутатора первой ступени. Время запаздывания импульса тока анода по отношению к импульсу запуска для этого тиратрона составляет 0.2-0.5 мкс [49].

Оно меняется от прибора к прибору, но стабильно для конкретного тиратрона.

Периодическая нестабильность зажигания при напряжении анода 15 кВ составляет менее 5 нс [49].

Генератор пусковых импульсов (г.п.и.) тиратрона собран на быстром тиристоре по схеме, представленной на рис. 3.6в. Основным требованием, предъявляемым к г.п.и., является стабильность задержки и фронта импульса, которая должна быть существенно лучше стабильности импульсов запускаемого генератора. Кроме того, г.п.и. должен быть защищен от высоковольтного импульса, возникающего на сетке тиратрона в момент его пробоя [50]. Амплитуда сеточного выброса может достигать половины анодного напряжения тиратрона, а +15 кВ (а) L 100 к 100 к 100 к Л 3.3 н Запуск 3.3 н 3.3 н 3.3 н 100 Р1 Р Р С Р Р 3 3 51 100 к 100 к 100 к 100 к Р 470 п 470 п 470 п (б) +17 кВ L 100 к 100 к 100 к С Л1 С 3.3 н Р Запуск Р 100 3.3 н 3.3 н Р R1 Р8 Р 33 п 33 п 100 к 100 к 100 к 100 к 100 к Р Д (в) 4. С2 100 п К сетке Л 13 К +600 В Д С 0. 4. W Тр +24 В W Внешний запуск 3.9 К 0. Рис. 3.6. Принципиальные схемы: а и б - генератора запускающих импульсов напряжения. Л1 - тиратрон ТГИ1-1000/25;

L - 100 витков провода ПЭТВ- толщиной 1 мм намотанных на пластмассовую трубу диаметром 50 мм;

Р9 и Р10 обостритель импульсов [20]. Накопительные конденсаторы набраны из конденсаторов КВИ-3-3300х10кВ. в - генератора поджигающих импульсов. Т1 КТ829А;

Д1-КД203Д;

Д2-КУ221Б;

трансформатор Тр намотан на ферритовом кольце М3000НМ типоразмера 40х25х11, первичная обмотка содержит витков, а вторичная - 34 витка. Трансформатор намотан проводом ПЭТВ- толщиной 0.5 мм.

Рис. 3.7. Фотография экспериментального комплекса. 1 – ГЗИ;

2 – субнаносекундный формирователь импульсов;

3 – передающая 50-Омная маслонаполненная линия;

4 – высоковольтная ЛЗ;

5 – ГИ РАДАН 303А.

длительность - нескольких десятков наносекунд.

Работает схема следующим образом: импульс запуска на сетке тиратрона формируется при разряде накопительного конденсатора С1 через коммутирующий тиристор Д2.

Коммутирующий тиристор Д2 запускается от внешнего генератора импульсов Г5 54 с помощью ключа на транзисторе Т1. Диод Д1 защищает тиристор Д2 от сеточного выброса напряжения.

Для исследования стабильности работы г.п.и. схема умножения напряжения (все детали расположенные на принципиальной схеме рис. 3.6а правее конденсатора С1) была отключена от тиратрона, а к его аноду подключен емкостной делитель. Была установлена емкость С1 номиналом 470 пФ. Эта Рис. 3.8. Конструкция блока разрядников. 1 - планка-держатель;

2 - изолятор;

3 поджигающий электрод;

4 - керамическая трубка;

5 - контакт;

6, 7,10-12 - детали электродов;

8,9 - втулки;

13 - шайба;

14 - винт М5. Детали 3,4 и 6 зафиксированы эпоксидным клеем. Подвижный электрод 10 позволяет регулировать зазор между электродами.

величина близка к величине емкости генератора импульсов напряжения в ударе.

Импульс регистрировался осциллографом И2-7 (полоса пропускания ограничена линией задержки на уровне 1 ГГц). Осциллограф запускался сигналом с выхода генератора импульсов Г5-54, а г.п.и. - с синхровыхода этого же генератора.

Нестабильность задержки фронта высоковольтного импульса не превышала в этом случае 1-2 нс.

Следующие ступени умножения коммутируются тригатронными искровыми разрядниками Р1-Р7 (рис. 3.6, 3.8). Разрядники при работе подсвечивают друг друга. Расстояние между соседними разрядниками 12 мм. Зазор между электродами можно регулировать вращением одного из них (позиция 10, рис. 3.8).

Остальные детали генератора смонтированы на двух параллельно расположенных диэлектрических пластинах. Вся конструкция помещена в цилиндрический стальной корпус, заполненный сухим азотом до давления 7 атм. Для улучшения стабильности срабатывания разрядников применены форсирующие цепи (резистор 3 Ом и конденсатор 470 пФ).

На выходе генератора включен субнаносекундный обостритель импульсов [37], состоящий из обостряющего Р9 и срезающего Р10 разрядников с подвижными электродами, установленных в 50-омной коаксиальной линии, заполненной азотом до давления 40 атм. В результате выходной импульс можно регулировать по амплитуде и длительности, а также менять скорость нарастания напряжения на фронте импульса (6х1013-7х1014 В/с).


Для питания генератора был применен источник высокого напряжения ВС 20-10 или самодельный стабилизированный источник высокого напряжения [51].

При зарядном напряжении 15 кВ был получен импульс на выходе обострителя на нагрузке 50 Ом с параметрами: амплитуда 50 кВ;

длительность фронта 0.3 нс (по уровням 0.1-0.9 от максимума);

длительность на полувысоте 0. нс;

нестабильность задержки фронта не более 10 нс (более 90% импульсов имеют нестабильность порядка 1-2 нс). Ограничение амплитуды импульса по сравнению с расчетной объясняется потерями энергии в форсирующих цепях.

Был разработан еще один генератор. С повышенной, относительно описанного выше, амплитудой выходного импульса. Повышение амплитуды импульса еще увеличивает точность включения трехэлектродного разрядника с искажением поля. Его схема изображена на рисунке 3.6б. Это классический генератор Аркадьева-Маркса с семью ступенями умножения. Первые три ступени коммутируются тригатронными разрядниками, остальные - неуправляемыми разрядниками. Разрядники запускаются импульсом напряжения от генератора поджигающих импульсов (тиратрон Л1, конденсатор С1 и резистор R1). Цепи запуска каскадов разделены конденсаторами емкостью 33 пФ. Генератор формирует импульс напряжения с амплитудой 70 кВ (при зарядном напряжении 17 кВ), длительностью на полувысоте 33 нс и фронтом 10 нс (рис. 3.9а). Импульс (а) (б) Рис. 3.9. а - импульс на входе обострителя импульсов;

б - выходной импульс генератора. Развертка по горизонтали 10 и 2 нс/деление, соответственно.

зарегистрирован осциллографом TDS 644. На выходе генератора также включен обостритель импульсов. На выходе обострителя получен импульс напряжения с амплитудой до 70 кВ, длительностью фронта не более 0.3 нс (по уровням 0.1-0. от максимума) и длительностью на полувысоте 0.5 нс. Импульс регистрировался осциллографом С7-19 (рис. 3.9б). Нестабильность задержки фронта импульса,нс 1.3 1. 1.1 1. Ток генератора водорода тиратрона (А) Рис. 3.10. Зависимость периодической нестабильности зажигания () тиратрона ТГИ1-1000/25 от тока генератора водорода.

относительно фронта запускающего импульса генератора Г5-54 не более 30 нс (около 90% импульсов имеют нестабильность порядка 1-2 нс).

Эксперимент показал, что нестабильность задержки фронта импульса зависит от тока генератора водорода тиратрона. Полученная зависимость показана на рис. 3.10. Нестабильность задержки фронта выходного импульса можно минимизировать, экспериментально подобрав ток генератора водорода.

Полученные параметры вполне удовлетворяют требованиям наших экспериментов по исследованию импульсного субнаносекундного пробоя.

Импульсы (амплитудой 15 и 50 В) для запуска измерительной аппаратуры (электронно-оптический преобразователь, быстродействующий осциллограф) берутся с емкостных делителей, встроенных в высоковольтный коаксиальный маслонаполненный тракт, соединяющий описанный выше генератор и трехэлектродный управляемый разрядник с искажением поля. Или с делителей напряжения, встроенных в субнаносекундный обостритель импульсов, расположенный на выходе генератора.

3.4. Высоковольтная линия задержки ЛЗ была изготовлена в двух вариантах: в виде спиральной коаксиальной с масляным или воздушным заполнением 50 Омной линии (первый вариант) и на основе радиочастотного кабеля PK50-11-11 [48] длиной 10 м (второй вариант).

Как уже было отмечено выше (параграф 3.2 настоящей главы), к параметрам запускающего импульса предъявляются очень жесткие требования:

даже незначительное затягивание его фронта приведет к невозможности обеспечить субнаносекундную синхронизацию всего экспериментального комплекса. Поскольку для обеспечения субнаносекундной синхронизации, должно обеспечиваться опережающее развитие субнаносекундного пробоя между пусковым электродом и противоположным ему электродом, находящимся под положительным потенциалом. Это возможно только при фронтах запускающего высоковольтного импульса в несколько сот пс [46, 47].

Имеется много теоретических исследований, посвященным соотношениям между шириной полосы пропускания и длительностью импульса.

Воспользовавшись формулой приведенной в [6] для определения верхней граничной частоты частотной характеристики fв = 0.4/tф, получим, что для передачи импульса с фронтом 0.3 нс с минимальными искажениями необходимо иметь передающую линию с fв = 1.3 ГГц и выше.

Сформулируем требования, предъявляемые к цепи запуска ИГ. Она должна обеспечить:

1. Задержку высоковольтного импульса запуска на время, равное задержке включения измерительной аппаратуры (30-50 нс);

2. Минимальные искажения фронта высоковольтного субнаносекундного импульса запуска;

3. Электроизоляция цепи запуска должна быть рассчитана на удвоенное максимальное выходное напряжение ИГ или иметь защиту от пробоя отраженными от нагрузки (разрядного промежутка) высоковольтными импульсами амплитудой до 360 кВ.

Наиболее сложным элементом цепи запуска ИГ является высоковольтная линия задержки. Ее можно реализовать различными путями. Изготовленные из металлических трубок коаксиальные маслонаполненные линии можно использовать в качестве ЛЗ. В такой ЛЗ наиболее просто обеспечить требуемую электроизоляцию. Но ЛЗ со временем задержки 50 нс будет иметь длину 10 м, что не очень удобно для практического применения. Использование составных ЛЗ (из отдельных секций) приведет к усложнению и значительному удорожанию конструкции из-за необходимости использования дорогих и сложных в изготовлении поворотных соединений.

В диссертационной работе в качестве ЛЗ первоначально была использована спиральная коаксиальная металлическая линия с масляным или воздушным заполнением. Спиральная линия была помещена в стальной экран: цилиндр высотой 60 см и диаметром 33 см. Внешний вид ЛЗ показан на рис. 3.7 (правая часть фотографии). Но, как показали калибровочные эксперименты, такая линия искажала фронт субнаносекундного запускающего импульса, и ГИ начинал работать в неустойчивом режиме, постоянно переходя из режима субнаносекундной синхронизации в режим наносекундной синхронизации. Что сделало проблематичным фотографирование свечения сопровождающего пробой на развертках 1 нс/см и менее. Хотя некоторое время эта линия и использовалась в экспериментах.

Поэтому были изготовлены новые ЛЗ из отрезков коаксиального радиочастотного кабеля РК50-11-11 длиной до 10 м. Эти кабели разрабатывались для передачи низковольтных сигналов радиочастотного диапазона и не предназначены для передачи высоковольтных импульсов. Коаксиальный гибкий кабель РК50-11-11 имеет сплошную изоляцию из полиэтилена низкой плотности с 0.2нс Рис. 3.11. Испытательный импульс напряжения: 1 – на входе кабельной линии;

2 – на выходе кабельной линии. Импульс измерен осциллографом Tektronics TDS820.

внешним диаметром 11.5 мм;

внутренний проводник, свитый из 7 медных проволочек диаметром 1.18 мм каждая;

и внешний проводник в виде симметричной оплетки медными проволоками (0.2 мм). Согласно [52], кабель имеет следующие характеристики:

- волновое сопротивление 50 Ом;

- номинальный коэффициент затухания на 1 ГГц равен 0.3 дБ/м при номинальной мощности на входе 450 Вт;

- номинальный коэффициент затухания на 3 ГГц равен 0.5 дБ/м при номинальной мощности на входе 200 Вт;

- выдерживает испытательное напряжение частоты 50 Гц для полиэтиленовой изоляции 14 кВ;

- напряжение начала внутренних разрядов в изоляции (напряжение “начала короны”) 5.5 кВ.

Ранее на отрезках такого кабеля были изготовлены генераторы однократных наносекундных (единицы-десятки нс) высоковольтных (20-30 кВ) импульсов, работающие на несогласованную нагрузку [53, 54]. Известно, что в субнаносекундном диапазоне резко увеличивается электрическая прочность изоляционных материалов, поэтому была изготовлена пробная ЛЗ из отрезка кабеля длиной 10 м. Рис. 3.11 показывает искажение фронта субнаносекундного импульса при прохождении через эту ЛЗ. Использование таких передающих линий задержки позволило осуществить субнаносекундную синхронизацию ИГ и измерительной аппаратуры, но сами линии довольно быстро выходили из строя из-за пробоя изоляции кабеля.

Для определения границ применимости радиочастотных кабелей РК50-11 11 в цепях запуска мощных импульсных генераторов были проведены исследования электрической прочности их изоляции в субнаносекундном и наносекундном диапазонах. В этих экспериментах на отрезок кабеля длиной 1 м подавался импульс напряжения длительностью от 0.3 до 4 нс амплитудой до кВ. Было показано, что такой кабель пригоден для передачи импульсов напряжения амплитудой до 150 кВ при длительности до 4 нс (максимальная длительность импульса генератора РАДАН-303 на полувысоте), и надежно работает при меньших амплитудах и длительностях импульса. В субнаносекундном диапазоне длительностей кабель без пробоя передавал импульсы напряжения с максимально доступной нам амплитудой в 180 кВ. Т.е.

электроизоляция кабеля с запасом обеспечивает надежную работу цепи запуска при передаче субнаносекундных запускающих импульсов амплитудой 20-70 кВ, но быстро выходит из строя при проникновении в цепь запуска высоковольтных импульсов отраженных от нагрузки (промежуточные разрядники, разрядный промежуток).

Для защиты кабеля от пробоя отраженными от нагрузки импульсами между кабелем и электрически-управляемым трехэлектродным разрядником с искажением поля был установлен срезающий разрядник (СР) (рис. 3.12, 3.13).

Разрядник настраивался на напряжение срабатывания 50-70 кВ. При этом импульсные напряжения контролировались с помощью широкополосных Импульс запуска Газовый ГИ ГЗИ ЛЗ зазор СР Рис. 3.12. Принципиальная схема цепи запуска. ГЗИ – генератор запускающих высоковольтных импульсов;

ЛЗ - высоковольтная передающая линия;

СР – срезающий разрядник;

ГИ – генератор импульсов напряжения. Цепь запуска отмечена пунктирной линией.

Рис. 3.13. Фотография срезающего разрядника, предназначенного для защиты кабельной линии задержки от высоковольтных импульсов напряжения.

емкостных делителей напряжения, встроенных в коаксиальный тракт цепи запуска.

Узел согласования Коаксиальный кабель 50-Ом коаксиальная PK50-11-11 маслонаполненная линия Рис. 3.14. Фотография узла согласования коаксиальный кабель РК50-11-11 металлическая коаксиальная 50-Омная маслонаполненная линия.

Кроме того, были разработаны узлы согласования коаксиальный кабель РК50-11-11 - металлическая коаксиальная 50-Омная маслонаполненная линия (рис. 3.14).

Использованная схема синхронизации позволила осуществить запуск ИГ и измерительной аппаратуры и начать эксперименты по субнаносекундному пробою перенапряженных газовых промежутков с субнаносекундной привязкой наблюдаемых эффектов к осциллограммам напряжения [40, 41]. Разработанная схема запуска выдерживала тысячи импульсов напряжения без пробоя изоляции.

3.5. Электронно-оптическая камера Электронно-оптическая хронография является единственным методом, позволяющим определить область зарождения пробоя внутри разрядного газового промежутка, а также динамику и скорость развития ионизационных процессов.

Подробно о применении электронно-оптических методов регистрации в научных экспериментах можно прочитать в монографиях [42 - 44].

В научных исследованиях наиболее широко применяются два способа регистрации с использованием электронно-оптических преобразователей (ЭОП) фото хронографическая (непрерывная) и покадровая (прерывистая) съемки. При фото хронографической съёмке на фотокатод ЭОП проецируется изображение регистрируемого объекта, ограниченное с помощью входной оптической системы узкой щелью. На фотокатоде это изображение превращается в электронное. В исходном состоянии ЭОП заперт. В нужный момент он отпирается, и электронное изображение с помощью отклоняющих пластин разворачивается с постоянной скоростью по люминесцентному экрану ЭОП в направлении, перпендикулярном длине щели. При этом происходит пространственно-временное преобразование входного изображения, несущее непрерывную во времени информацию о геометрических размерах и яркости регистрируемого объекта и его фрагментов вдоль щели. То есть в хронографическом режиме происходит непрерывное накопление информации о световом процессе, и он идеально подходит для изучения динамики развития светового процесса.

При покадровой съемке на фотокатод проецируется двумерное изображение регистрируемого объекта - кадр. В исходном состоянии ЭОП заперт. В нужный момент он отпирается на короткое время (длительность кадра), и электронное изображение проходит на люминесцентный экран, фиксируя на нём первый кадр регистрируемого объекта. После запирания ЭОП на одну из пар его отклоняющих пластин подаётся импульс напряжения в виде длительной ступеньки. В результате этого при повторном отпирании ЭОП второй кадр будет расположен на новом месте экрана (рядом с первым кадром справа от него). Дальнейшее последовательное отпирание и запирание изображения в сочетании со ступенчатым перемещением кадра на новое место экрана в те моменты, когда ЭОП заперт, позволяет осуществлять многокадровую съемку, несущую информацию о геометрических размерах и яркости регистрируемого объекта и его фрагментов в отдельные моменты времени. То есть в покадровом режиме происходит накопление информации о световом процессе в интегральном режиме. При этом ничего нельзя сказать о динамике светового процесса с длительностью ограниченной длительностью кадра. Кроме того, теряется информация, приходящаяся на паузы между кадрами. Тем не менее, фотографии интегрального свечения промежутка являются важными. В частности, они позволяют понять характер протекания тока в зависимости от внешних условий:

является ли разряд объемным, либо ток протекает через одиночный контрагированный канал, либо имеет место режим многоканальной коммутации.

Сегодня метод электронно-оптической регистрации является самым высокоскоростным из всех известных методов регистрации быстропротекающих процессов. Временной диапазон, в котором работают электронно-оптические камеры, простирается от секунд до фемтосекунд.

Важнейшим свойством ЭОП является его способность усиливать яркость изображения вплоть до предельной величины порядка 106 раз, что позволяет регистрировать чрезвычайно слабосветящиеся процессы и даже обеспечивать их регистрацию в так называемом режиме счёта фотонов.

Различные типы фотокатодов, используемых в ЭОП, позволяют регистрировать процессы в ближней инфракрасной (до 1,6 мкм), видимой и ультрафиолетовой областях спектра, а также в области вакуумного ультрафиолета, мягкого и жёсткого (до 1 МэВ) рентгеновских излучений.

В экспериментах, описанных в настоящей диссертационной работе, использовалась электронно-оптическая камера “АГАТ СФ3М” хронографического типа. Камера предназначена для регистрации и измерения пространственно-временных характеристик однократных процессов пико- и наносекундной длительности в спектральном диапазоне от 0.4 до 1.2 мкм.

Предельное паспортное разрешение электронно-оптической камеры при измерении временных интервалов составляет 2х10-12 с. С помощью АГАТ СФ3М была проведена хронография свечения, сопровождающего пробой газового Анод B (а) d A Катод t Засветка шумовыми электронами Анод (б) Катод t Рис. 3.15. Фоторазвертка светового процесса протекающего с одинаковой скоростью и яркостью. (а) – идеальная фоторазвертка. (б) - фоторазвертка наблюдаемая в эксперименте;

d – длина межэлектродного промежутка.

промежутка, с разверткой светового процесса в направлении, параллельном плоскости электродов.

Следует сказать несколько слов о характере изображений, получаемых с помощью ЭОПа. В случае если бы пробой промежутка начинался на катоде и распространялся к аноду с постоянной скоростью и яркостью, мы бы увидели равномерно светящуюся развертку свечения (рис. 3.15а). При этом по наклону линии AB легко можно было бы вычислить среднюю скорость распространения свечения. В реальных условиях такое изображение получить не удается. Дело в том, что в состав электронно-оптической камеры входят микроканальные усилители яркости и волоконно-оптические диски, а регистрация осуществляется с помощью высококонтрастной фотопленки. В результате, непрерывный световой процесс регистрируется в виде пятен различного размера и яркости (рис. 3.15б).

Поэтому в данной работе, для наглядности, часть экспериментально полученных фоторазверток свечения, сопровождающего пробой газового промежутка, дополнена смоделированными на компьютере рисунками, на которых стрелками показаны временные развертки распространяющихся в газе волн ионизации.

3.6. Испытательная камера Испытательная камера (рис. 3.3, 3.4) представляет собой отрезок 50-омной коаксиальной газонаполненной линии с исследуемым газоразрядным промежутком и дополнительным фиксированным обостряющим зазором, выполненными в виде разрывов в центральном электроде. Фотография испытательной камеры приведена на рис. 3.4. Узел регулировки (позиция 12, рис.

3.3) позволяет плавно регулировать величину исследуемого газоразрядного промежутка с точностью 0.05 мм без разгерметизации корпуса. Камера согласована по волновому сопротивлению с передающей коаксиальной линией (позиция 13, рис. 3.3), длиной 25 см. Этой длины достаточно для того, чтобы повторный пробой промежутка импульсами, отраженными от короткозамкнутого конца тракта, происходил значительно позже исследуемого процесса. Напряжение на промежутках регистрировалось с помощью широкополосных емкостных делителей, встроенных в коаксиальный тракт камеры, с помощью осциллографов Tektronix TDS644B и С7-19. Делители были выполнены в виде полосок фольгированного стеклотекстолита толщиной 100 мкм, наклеенных на внутреннюю поверхность корпуса камеры. Для подключения коаксиальных кабелей в делителях использован соединитель N типа. Для калибровки делителей использовался низковольтный генератор импульсов с субнаносекундным фронтом, выполненный на ртутном герконе [55]. Камера позволяет проводить эксперименты по пробою газа в диапазоне давлений от атмосферного до 100 атм.

3.7. Конструкция электродов разрядного промежутка Одной из главных проблем в электронно-оптической фотосъемке свечения, сопровождающего пробой газового промежутка является вопрос совмещения временных шкал полученной фоторазвертки свечения и импульса напряжения, приложенного к газовому промежутку. Ясно, что регистрируемое свечение газа не совпадает с моментом появления инициирующих пробой электронов, а несколько запаздывает. Вопрос насколько? Для ответа на него в работе, во-первых, проводилось моделирование физических процессов, протекающих в предпробойной стадии и на начальной стадии пробоя. Смоделированные фоторазвертки свечения совмещались с экспериментально полученными фоторазвертками, что теоретически позволило определить момент появления свечения. Подробно эта методика будет описана ниже в разделе 4.3.

Во-вторых, был изготовлен катодный узел оригинальной конструкции: в катодном электроде исследуемого разрядного промежутка (рис. 3.16, 3.17) был установлен дополнительный зазор. Вдоль оси этого зазора располагалась керамическая шпилька, по поверхности которой происходил опережающий пробой. Зазор предварительно настраивался таким образом, чтобы перекрытие керамики происходило на начальном участке фронта подаваемого импульса при напряжении, составлявшем не более 20% от амплитуды. При этом свет пробоя также регистрировался электронно-оптической камерой, что использовалось для создания реперной (нулевой) отметки на временной шкале фоторазвертки пробоя основного исследуемого промежутка (рис. 3.16). Это позволяло совместить временные шкалы фоторазвертки газового пробоя и высоковольтного импульса напряжения, прикладываемого к промежутку с точностью не хуже 100 пс (для развертки 0.5 нс/см).



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

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.