Александров А.   Гугин П.   Лаврухин М.   Бохан П.   Закревский Д.   Schweigert I.  

Субнаносекундное развитие пробоя В высоковольтном импульсном разряде: Влияние вторичной электронной эмиссии

Reporter: Schweigert I.

Субнаносекундное развитие пробоя В высоковольтном импульсном разряде: Влияние вторичной электронной эмиссии
И. В. Швейгерт1, А. Л. Александров1,
П. Гугин2, М. Лаврухин2, П. А. Бохан2, Дм. Е. Закревский2

1 Институт Теоретичской и Прикладной Механики СОРАН, Новосибирск, Россия
2 Институт Физики Полупроводников СОРАН, Новосибирск, Россия

Субнаносекундное развитие пробоя при высоковольтном импульсном разряде при средних давлениях в гелии (P<20 Торр) исследовано в эксперименте и с помощью кинетического моделирования. Показано, что характерное время возрастания тока может определяться вторичной электронной эмиссией. Было исследовано влияние коэффициента вторичной эмиссии на параметры плазмы для трех типов катодов, изготовленных из титана, карбида кремния и сплава CuAlMg. Определена область существования  субнаносекундного пробоя при различных величинах импульсного напряжения и давления газа.
В последнее время уделяется серьезное внимание явлению субнаносекундного возрастания тока разряда в сверхсильных электрических полях при средних и высоких давлениях. В данной работе развитие пробоя в открытом разряде в гелии исследовано в эксперименте и с помощью PIC MCC моделирования, для трех различных материалов катода, имеющих повышенный коэффициент вто-ричной электронной эмиссии.

Целью данной работы было найти способ уменьшить время развития пробоя подбором материала катода и изменением  величин напряжения и давления газа. Пробой в высоковольтном разряде в гелии исследовался экспе-риментально в ячейке с двумя плоскими круглыми катодами площадью 1.6 см2, разнесенными на 6 мм и сеточным анодом с геометрической прозрачностью 0.7, распо-ложенным между катодами. Все электроды изолированы стеклянными пластинами. Импульсное напряжение подается на оба катода, и вследствие катодной эмиссии образуются встречные потоки электронов. Амплитуда импульса напряжения составляет от 4 до 12 кВ, давление газа от 10 до 35 Торр. 

Катоды симметрично подключены к внешнему источнику напряжения с малой индуктивностью, анодная сетка заземлена.  Поведение напряжения на разряде ре-гистрируется с помощью малоиндуктивного резистивного делителя с соотношением  20:1 и осциллографа Tektronix DPO 70804C с полосой пропускания 8 ГГц. Измерительная цепь и другие подробности эксперимента были описаны в [1]. В эксперименте были опробованы катоды из титана (Ti), карбида кремния (SiC), и сплава CuAlMg. Все эти материалы имеют высокий коэффициент вторичной эмиссии электронов γe, но зависимости γe от энергии падающих электронов у них существенно отличаются. На Рис.1 показана γe как функция энергии электронов для трех видов материалов катода.
В математической модели плазма разряда описывается системой уравнений, вклю-чающей уравнения Больцмана для элек-тронов, ионов и быстрых атомов. Электрическое поле находится из уравнения Пуассона. Детальное описание  модели опубликовано в [2,3].

Проведено исследование изменения характерного времени развития пробоя в зависимости от величины импульса напряжения для катода из сплава CuAlMg при различных давлениях газа. Полученное в эксперименте и расчетах по модели поведение напряжения на разрядном промежутке для катода из Ti (1), SiC (2) и CuAlMg (3), при амплитуде импульса напряжения Ua=10 кВ и давлении газа P=25 Торр хорошо согласуются.  Влияние давления газа на время развития пробоя τs  одинаково для всех типов катода: с ростом P τs уменьшается. Рекордно малое время для SiC and CuAlMg составляет τs <0.4 нс, для катода из Ti  τs больше в 4-5 раз.
В заключение отметим, что существует область параметров разряда, U0=5-10 кВ and P=15-35 Торр, в которой достигается время развития пробоя τs <1 нс. Для U0 >11 кВ и P>35 Торр наблюдается стримерный механизм зажигания разряда.

                                                      REFERENCES
[1]  Bokhan P A,  Gugin P P, Lavrukhin M A, Schweigert I V, Alexandrov  A L and  Zakrevsky Dm E 2016 In: Generation of runaway electron beams and x-rays in high pressure gases  1 Techniques and measurements, Ed. by Tarasenko V F (New York: Nova Science Publishers Inc) 221
[2] I.V. Schweigert, A.L. Alexandrov, Dm.E. Zakrevsky, P.A.Bokhan, Phys Rev E, V.90, 051101(R) (2014);
[3] I.V. Schweigert, A.L. Alexandrov, P.A. Bokhan and Dm.E. Zakrevsky, Plasma Sources Sci. Technol. V.24, P. 044005 (2015);


To reports list