Файл: Малкин, О. А. Импульсный ток и релаксация в газе.pdf

образом, т„«750 мксек. Длительность импульса на опыт­ ной установке выбрана в «е» раз большей — 2200 мксек.

Для оценки необходимой длительности фронтов им­ пульса (на уровнях 0,1—0,9 максимальной амплитуды) конкретизируем исследуемые виды релаксации. Важной задачей изучения кинетики элементарных процессов в плаз­ ме является исследование релаксации функции распределе­ ния электронов при резком изменении внешних условий — включении и выключении высокочастотного поля. С релак­ сацией функции распределения электронов неразрывно связаны неупругие процессы под действием электронного удара—возбуждение и ионизация, а также обратные процес­ сы — дезактивация и рекомбинация. Таким образом, необ­ ходимо оценить времена для упомянутых элементарных процессов. Оценки времени релаксации возбуждения и ио­ низации в слабоионизованной плазме для давления 1 mopp, kTe3фф яз 1 -f- 10 эв и степени ионизации д-„ sg; 10-3 показы­ вают, что характерное время релаксации для инертного газа составляет т„ -~ ІО-5 сек. Время релаксации функции распределения электронов оценим по формуле ТфРЭ« (б 3ффХ ХѵЭфф)-1 [131. В слабопонизованноп плазме эффективная частота соударений vB(W, nuoL.nve определяется столкнове­ ниями электронов с нейтралами. Выше эта величина была

время релаксации функции распределения электронов со­ ставит Тфрэ ІО-5 4- ІО-6 се/с...Отметим, что выполненная здесь оценка дает нижнюю границу времени релаксации, так как при ее проведении не учитывали обратные процессы: дезактивацию, рекомбинацию .и перераспределение энергии по функции распределения электронов при неупругих про­ цессах. Итак, характерное время резких изменений элек­ трического поля должно быть не более 10-G сек.

Оценим теперь продолжительность различных релакса­ ционных процессов в силы-юионизованной плазме. В работе [13] показано, что время релаксации величины (Те — Тт),

26

ряженных частиц (а вместе с пей и температуры электронов), время которой для аргона почти в 300 раз больше, состав­ ляет ~ 10-Dсек. Наконец, оценим время релаксации кон­ центрации заряженных частиц по модели Бейтса [15]. Временное изменение плотности электронов при пренебре­

веденные расчеты дают также оценку и длительности им­ пульса тока, необходимой для достижения плазмой квазнстационарного состояния. Эта величина должна состав­ лять около 10-5 сек.

Итак, длительность квазнстацпонарной стадии разряда

зованной плазмы. Время фронтов импульса должно быть не более 10_6 т е для исследования функции распределения электронов в слабоиоиизованнон плазме и такого же по­ рядка для изучения релаксации температуры тяжелых час­ тиц в енлы-юионизованной плазме.

§ 1.2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСА ТОКА

Если выполнение первого условия, сформулированного выше, удается легко реализовать, то для удовлетворения второго условия требуются специальные меры. В частности, формирование высокочастотного импульса с запуском гене­ раторных ламп резким включением анодного напряжения, часто применяемое на практике (см., например, [33]), здесь непригодно, так как время «раскачки» ламп составляет 5—10 мксек. Поэтому в описываемой ниже эксперименталь­ ной установке для получения слабоионизованной плазмы была специально разработана схема сеточного управления генераторных ламп, включающая задающий генератор типа Г5—7А и усилитель мощности запускающего импульса. В результате продолжительность переднего фронта состави­ ла ~ 0,5, а заднего — около 1,5 мксек, что удовлетворяет

27

требованиям, предъявляемым к установке для изучения релаксации функции распределения электронов по энер­ гиям (см. расчет в § 1.1).

Для формирования слаботочного импульса тока доста­ точно обычных электронных импульсных генераторов, за­ дающих необходимую длительность импульса. В то же время получение импульсов большого тока в сотни и тысячи ампер сопряжено со значительными трудностями. Исполь­ зование электронных приборов допустимо лишь на пер­ воначальных стадиях формирования импульса. Схема фор­ мирования должна, кроме того, включать накопительные и коммутирующие устройства, снабженные запускающими или поджигающими блоками. В качестве накопителя энергии можно использовать батарею конденсаторов, индуктивность или инерционный электромеханический агрегат, представ­ ляющий собой якорь мощного электрогенератора, раскру­ ченный мотором до большого числа оборотов, клеммы кото­ рого замыкают практически накоротко [48]. Более экзо­ тическими методами является использование энергии взры­ ва [49] пли энергии емкости со сжатым газом (горючей смесью) [50]. Коммутирующими устройствами обычно слу­ жат мощные электронные и ионные приборы — импуль­ сные тиратроны, игнитроны, ртутные вентили, а также ваку­ умные разрядники, разрядники высокого давления. Меха­ нические размыкатели, контакторы, вакуумные выключа­ тели и т . п. устройства для формирования импульсов тока с целью изучения релаксации в газе непригодны, так как время срабатывания их не меиее 10~4 сек (сравните резуль­ таты оценок, проведенных выше). Схема получения перио­ дически следующих импульсов напряжения, в которой использованы импульсные тиратроны типа ТГИ, ТГИ-400 или ТГИ-700, описана в работе [51]. Конденсаторная бата­ рея, заряжаемая до 4—5 кв, начинает' разряжаться через один из тиратронов; спустя заданное время, определяемое длиной импульса, управляющая схема запускает второй тиратрон, установленный в схеме гашения первого. Зажи­ гание второго тиратрона приводит к снижению анодного напряжения первого тиратрона до нуля на период времени, достаточный для деионизации газа и восстановления его электрической прочности. В результате батарея накопи­ тельных конденсаторов разряжается лишь частично в тече­ ние времени импульса. Это дает возможность получать периодически следующие импульсы напряжения длитель­ ностью от 20 до 1000 мксек с частотой повторения до 50 гц

28

при относительно малой мощности зарядногоустройства.

Однако описанная схема практически непригодна для полу­ чения импульсов тока с амплитудой более 100 а, вследствие весьма тяжелого режима работы катодов импульсных тира­ тронов*, рассчитанных на длительность импульсов порядка 1 мксек. Оценки, проделанные выше, показали, что подобная длительность импульса тока мала для изучения релакса­ ции в газе, и необходимы времена не менее 100—1000 мксек.

приводит к необходимости полностью разряжать накопи­ тельное энергетическое устройство, что обусловливает либо отказ от периодической работы установки, либо оснаще­ ние ее мощным зарядным устройством. Зато способность разрядника пропускать весьма большой ток (до 107 а), низкое напряжение и малое время срабатывания (единицы наносекунд), малая собственная индуктивность (десятки сантиметров) и простота конструкции с лихвой окупают упомянутые недостатки. Очень удобны дисковые вакуумные разрядники, разработанные и тщательно исследованные в ИАЭ им. И. В. Курчатова [52].' Разрядник представляет собой систему дисков с цилиндрической полостью между ними, откачиваемой форвакуумным насосом. В зависимости от величины требуемого обратного напряжения число дис­ ковых промежуточных перегородок меняется, увеличи­ ваясь с ростом напряжения. Например, для £/обр = 50 кв необходим . пятисекционный разрядник. Качество работы разрядника сильно зависит от давления остаточного газа и резко ухудшается с повышением его [52]. После каждой переборки разрядника необходима так называемая «трени­ ровка», т. е. проведение серии повторяющихся срабатываний с постепенно увеличивающимся напряжением на полюсах разрядника.

Для поджигающего устройства обычно используют усилитель мощности на водородных тиратронах типа ТГИ1-400/16. В качестве накопительной емкости удобно при­ менить отрезок коаксиального кабеля с вспомогательным

* То же относится в известной мере и к ионным выпрямителям (например, ртутным), работающим в импульсном режиме. К этому

добавляется еще опасность обратных зажиганий.

29