Исследователи из ФИАН, МФТИ и НИИЯФ МГУ впервые детально изучили, как меняется пространственная структура системы плазменных каналов в наносекундной электрической искре в воздухе при увеличении давления от 100 торр до атмосферного. В ходе работы исследователи обнаружили явный пороговый эффект: при превышении определенного давления в искровом разряде запускается процесс мелкомасштабной филаментации — однородный плазменный канал быстро распадается на пучок ультратонких, высокоионизованных нитей. Эксперименты также позволили выявить режимы, при которых высокоионизованная плазма формируется не в объеме разрядного промежутка, а концентрируется исключительно вблизи катода. Эти фундаментальные результаты важны для построения точных моделей газоразрядной плазмы, расчета плазмохимических процессов и лабораторного моделирования длинных искровых каналов, в том числе для исследований, связанных с физикой молниевых разрядов.
Главный вопрос, на который искали ответ физики: при каких условиях в разряде возникает эта сложная микроструктура и можно ли ею управлять? Для этого ученые провели серию уникальных экспериментов, исследуя импульсный наносекундный высоковольтный разряд в воздухе при давлениях 100–760 торр (атмосферное давление). Работа опубликована в журнале Physical Review E и поддержана грантом Российского научного фонда.
Эксперименты проводились в разрядной камере в промежутке между очень тонким катодом — медной проволокой миллиметровой длины диаметром 100 микрометров, и плоским анодом, который был удален от торца катода на 2 миллиметра. На этот разрядный промежуток с точностью до нескольких микрометров была настроена оптическая система диагностик. Разряд в промежутке инициировался при подаче на него импульсов напряжения амплитудой 25 киловольт с фронтом порядка нескольких наносекунд и длительностью десятки наносекунд. При этом ток разряда достигал нескольких сотен ампер.
(a) Схема экспериментальной установки и оптической диагностики: короткий лазерный импульс (532 нм, 70 пс) проходит через разрядную камеру, разрядный промежуток с плазмой и регистрируется оптической системой, в которой одновременно записываются интерферограмма, шлирен-изображение и теневой снимок с разрешением 2–3 мкм. Всего за один выстрел шести лазерных пучков зондируют разряд с шагом 1–2 нс, что позволяет восстановить распределение электронной плотности и микроструктуру плазмы за наносекунды после пробоя. (b) Геометрия разрядного промежутка «острийный катод — плоский анод» длиной 2 мм, который «просвечивается» лазерным излучением / © Егор Паркевич
Ключевым инструментом исследования стала установка с мультикадровым пикосекундным лазерным зондированием. Короткие лазерные импульсы регистрировали состояние плазмы с пространственным разрешением 2–3 микрометра и временным шагом 1–2 наносекунды. Для понимания масштаба времени: за 1 наносекунду свет в вакууме проходит лишь 30 сантиметров. Особой инженерной задачей стала синхронизация шести независимых лазерных пучков и создание для каждого из них отдельного оптического канала регистрации. Это позволило в рамках одного разряда одновременно получать три типа диагностических изображений плазмы: интерферограммы (фазовый портрет, дающий распределение электронной плотности), тенеграммы (яркостная картина, выявляющая микронные неоднородности) и шлирен-изображения (высококонтрастная съемка, чувствительная к резким градиентам плотности). Такая многоканальная диагностика впервые позволила в режиме реального времени отслеживать эволюцию плазменных структур с беспрецедентной детализацией и на основе комплексной обработки данных восстановить трехмерную картину распределения электронной плотности в развивающемся разряде.
В ходе исследований ученые показали, что канал электрической искры зарождается в крошечной области на катоде. Его формирование инициирует волну ионизации, которая движется от катода со скоростью порядка 10⁷ сантиметров в секунду и на фронте которой происходит быстрая (за время около одной наносекунды) наработка высокоионизованной плазмы. На некотором расстоянии от катода фронт волны теряет целостность и дробится на множество тонких микроканалов.
Важным открытием стало обнаружение порогового давления воздуха, при котором этот процесс начинается. В диапазоне 400–760 торр фронт ионизационной волны практически всегда распадается, формируя сеть микроканалов. Однако при снижении давления до ~300 торр микроструктура перестает наблюдаться, и разряд развивается в виде однородного плазменного канала. Скорость самой ионизационной волны (~10⁷ сантиметров в секунду) при этом почти не зависит от давления.
При давлениях около 100–200 торр картина разряда кардинально меняется: вместо формирования в межэлектродном промежутке протяженных микроканалов происходит интенсивная генерация высокоионизованной плазмы непосредственно в прикатодной области. Ее возникновение обусловлено взрывной электронной эмиссией. Анализ показал, что она состоит преимущественно из ионизованных паров материала катода (меди). Эта плазма остается локализованной вблизи катода, не развиваясь в сторону анода. При дальнейшем снижении давления ниже ~100 торр ее образование становится спорадичным и полностью прекращается, что также указывает на пороговую природу исследуемого явления.
Теоретический анализ, основанный на моделировании кинетики реакций ступенчатой диссоциации молекулярного азота и ступенчатой ионизации образующихся атомов, позволил выявить ключевой параметр, определяющий возможность формирования высокоионизованной плазмы. Расчеты показали, что характерное время, необходимое для протекания этих реакций и развития быстрой наносекундной контракции разрядных каналов (сжатия канала разряда в узкий плазменный шнур), сильно зависит как от величины электрического поля, так и от давления воздушной среды. Это объясняет, почему в воздухе при давлении, близком к атмосферному, быстрая интенсивная генерация высокоионизованной плазмы в зоне фронта волны ионизации может рассматриваться как реальный сценарий развития данного разряда. При снижении давления это время резко возрастает, что приводит к качественным изменениям в структуре канала искры — переходу от образования системы плазменных микроканалов к локализации высокоионизованной плазмы в непосредственной близости от катода. Однако физический механизм, запускающий мелкомасштабную филаментацию (распад фронта волны ионизации на множество микроканалов), а также причина появления порога по давлению для этого процесса остаются необъясненными в рамках существующих теоретических моделей и представляют открытую проблему, требующую дальнейших исследований.
«Наши эксперименты впервые системно выявили, как давление воздуха выступает “переключателем” между принципиально разными режимами развития искры — от образования сложной микроструктуры из множества тончайших плазменных нитей до формирования гладкого, однородного канала. Обнаруженные четкие пороговые эффекты — ключ к пониманию, какие условия в газовой среде приводят к структурной перестройке разряда. Такое понимание критически важно как для фундаментальной физики быстрого плазмообразования, так и для прикладных технологий, где структура плазмы определяет результат, например при управляемом синтезе металлических наночастиц»,— прокомментировал руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, старший научный сотрудник ФИАН Егор Паркевич.
«Количественные результаты — измеренные пороги давления и соответствующие им профили электронной плотности, полученные с использованием наших продвинутых кодов обработки данных,— задают новые, строгие экспериментальные рамки для теоретических моделей, описывающих развитие неустойчивостей и быстрое формирование плазмы в искровых каналах. В перспективе мы планируем исследовать влияние других параметров, таких как состав газа, геометрия электродов и предыонизация, чтобы понять, можно ли управлять порогом филаментации и, следовательно, „тонкой внутренней структурой” разряда»,— добавил Тимофей Хирьянов, старший преподаватель кафедры информатики и вычислительной математики МФТИ.
«Теоретический анализ, основанный на моделировании кинетики реакций ступенчатой диссоциации молекулярного азота и ступенчатой ионизации образующихся атомов, позволил нам выявить ключевой параметр, управляющий структурой разряда,— время филаментации. Наши расчеты показали, что время, за которое в канале достигается высокая степень диссоциации молекул азота и активно „включаются” реакции ступенчатой ионизации образующихся атомов, возрастает при снижении давления. Это объясняет качественное изменение сценария: при высоком давлении процессы плазмообразования и контракции успевают за наносекунды сформировать узкие высокоионизованные микроканалы, а при низком — „не успевают”, и в итоге организуется либо однородный канал, либо доминирует локализация плазмы у катода. Однако сам механизм, запускающий распад фронта волны ионизации на множество микроканалов при высоком давлении, остается открытой и очень интересной проблемой»,— уточнил Николай Попов, ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ.
Исследование важно для задач, связанных с длинными искровыми разрядами, где нужно знать, как масштабируется их склонность к филаментации при изменении условий и почему микроструктура может возникать или исчезать при, казалось бы, небольшом изменении параметров. Авторы также отмечают прикладной интерес к режимам разряда при давлениях около 100–200 торр: взрывная катодная плазма, насыщенная парами металла, может стать эффективным источником для синтеза наночастиц. Это связано с тем, что при низком давлении большая часть вложенной в разряд энергии концентрируется именно вблизи катода, а не рассеивается во всем межэлектродном промежутке.
Перспективы, которые открывает это исследование, во многом задаются найденными пороговыми явлениями. Ученым предстоит выяснить, насколько универсален переход к филаментированной микроструктуре при давлениях около 300–400 торр для других газов, геометрий электродов и длительностей высоковольтного импульса, и можно ли управлять этим порогом, контролируя предварительную ионизацию среды или ток в разряде.
Как прямо указывают авторы, остается ряд фундаментальных вопросов. Во-первых, структура плазмы в прикатодной области на субнаносекундных временах все еще изучена недостаточно: будущие эксперименты должны прояснить, как именно на масштабе единиц микрометров запускается взрывная генерация высокоионизованной плазмы с электродов. И, наконец, ключевой задачей является создание теоретической модели, которая объяснит, почему при высоком давлении фронт ионизационной волны распадается на микроканалы, а при чуть более низком предпочитает оставаться однородным. Только ли временной фактор (характерное время контракции разрядного канала) играет здесь ключевую роль или есть и другие физические эффекты, влияющие на пороговый характер формирования исследуемых плазменных микроструктур.