Взрывающийся катод
Физики впервые увидели четкую границу перехода между газовой и металлической плазмой
Исследователи описали механизм рождения плотной плазмы в быстрых электрических разрядах при разных давлениях воздуха. Оказалось, что при давлении выше 100 миллиметров ртутного столба вещество для плазмы поставляет сам катод: микроскопические участки его поверхности взрывообразно испаряются. Если же давление ниже этого порога, разряд развивается иначе — только за счет ионизации газа, и плотная плазма не образуется.
Фото: iStock
Фото: iStock
Полученные данные впервые показывают резкую границу этого перехода. Открытие дает новый способ управлять процессами плазмообразования в импульсной энергетике и при синтезе металлических наночастиц. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Электрическая искра на первый взгляд хорошо изучена. Однако экстремально быстрые процессы рождения плазмы, происходящие у поверхности электродов в первые наносекунды после пробоя, долгое время оставались скрытыми от ученых. Именно в этот момент в микроскопической области у катода рождается плотная плазма, которая определяет характер всего последующего разряда. Ключевой вопрос — из чего она состоит: из ионизированного газа или вещества самого электрода? Понимание этого критически важно для множества технологий: от систем зажигания до генераторов наночастиц.
Ученые из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (Москва), Московского физико-технического института (Москва) и Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (Москва) провели серию экспериментов с электрическим разрядом в воздухе. Разряд происходил между электродами, расстояние между которыми составляло около 2 миллиметров.
Фото: Егор Паркевич / ФИАН
Фото: Егор Паркевич / ФИАН
Катодом служила медная проволока диаметром всего 100 микрометров — по толщине она сопоставима с человеческим волосом. Увидеть происходящее в таких микроскопических масштабах помогла уникальная система пикосекундной лазерной визуализации. Она позволяет получать до 18 кадров за один импульс с временным разрешением около 1 наносекунды и пространственным — до 2–3 микрометров. Благодаря этому исследователи смогли в деталях проследить за рождением и эволюцией прикатодной плазмы.
Авторы обнаружили эффект, порогом для которого служит давление воздуха. Оказалось, что при давлениях от 100 миллиметров ртутного столба и вплоть до атмосферного (760 миллиметров ртутного столба) разряд стартует по «взрывному» сценарию. Микроскопические неоднородности на поверхности медного катода взрывообразно испаряются под действием сверхсильного электрического поля. При этом весь процесс занимает менее 1 наносекунды. В результате образуется облако металлической плазмы с рекордной плотностью электронов — в десять раз большей, чем теоретически возможно получить, полностью ионизировав окружающий воздух при том же давлении.
«Взрывные катодные процессы конкурируют с объемной ионизацией воздуха, и мы впервые увидели четкую границу, на которой один механизм сменяется другим. Снижение давления всего на несколько десятков миллиметров ртутного столба относительно 100 миллиметров ртутного столба — и взрывной выброс металла с катода полностью исчезает, разряд переходит в режим, управляемый объемной ионизацией газа»,— поясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Егор Паркевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ФИАН.
Фото: Егор Паркевич / ФИАН
Фото: Егор Паркевич / ФИАН
Прозондировав плазму лазерными импульсами, исследователи установили, что в первые 1–2 наносекунды расширяющееся облако состоит преимущественно из ионизованных атомов меди. Для создания такого облака требуется испарить и ионизировать микроскопический объем металла — порядка 5–30 кубических микрометров.
При падении давления ниже порогового значения механизм взрывного испарения материала катода подавляется. Это происходит из-за ослабления локального электрического поля на его поверхности: при пониженных давлениях катодный слой значительно расширяется. Разряд при этом не гаснет: его развитие обеспечивается быстрой ионизацией газа в промежутке между электродами. Этот фундаментальный переход отражает конкуренцию двух источников плазмы: вещества катода и окружающего газа.
«Результаты имеют прямое практическое значение. Управляя давлением газа и режимом разряда, можно либо целенаправленно влиять на разрушение катода и, как следствие, на выход и состав металлических наночастиц в соответствующих генераторах, либо повышать надежность высоковольтных коммутаторов, минимизируя разрушение электродов. Теперь мы знаем ключевые условия, при которых катодная плазма, а значит, и разрушение электродов будут максимальными или, наоборот, практически отсутствовать. Это своеобразный ключ к управлению процессом»,— добавляет Егор Паркевич.
В дальнейшем научная группа планирует исследовать свойства металлических наночастиц, образующихся после разряда в различных режимах, а также проанализировать возможности масштабирования эффекта на многоострийные катодные системы.