В предыдущем параграфе, посвященном временам запаздывания разряда, была описана установка (рис. 3-1) для исследования времен формирования разряда в однородном ВЧ поле. На этой же установке и в тех же условиях (воздух, ρ=1,01·105 Па, Tг=293 К, L=4 мм, f=10 и 20 МГц) авторами работы [45] исследовалось развитие ВЧ пробоя с высоким временным и пространственным разрешением. Световые явления, сопровождающие пробой разрядного промежутка, регистрировались наряду с ФЭУ также с помощью высокоскоростной электронно-оптической камеры (ЭОК на рис. 3-1) типа ЛB-03 в режиме фоторазвертки. Регистрация проводилась в спектральном диапазоне от 360 до 400 нм.
Пробой рассматриваемого промежутка постоянным напряжением наступает при 14,1 кВ, а ВЧ напряжением частоты 10 и 20 МГц — при 12,3 и 10,7 кВ соответственно. Максимальное расстояние, проходимое электроном при пробивной напряженности поля за один полупериод ВЧ напряжения, составляет около 5 мм для частоты 10 МГц и 2 мм для частоты 20 МГц.
Если ВЧ напряжение частотой 20 МГц ниже пробивного постоянного напряжения, то типичное развитие пробоя происходит так, как показано на осциллограммах рис. 3-6 (перенапряжение КU=28%). Первый импульс при t=0 на осциллограмме фототока соответствует импульсу излучения лазера, инициирующему начальные электроны в промежутке. За лазерным импульсом следует временной интервал, в течение которого ни ФЭУ ни ЭОК не регистрируют никаких световых явлений. Длительность этого интервала тем больше, чем меньше перенапряжение. В рассматриваемом примере она равна четырем полупериодам ВЧ напряжения, а при меньших перенапряжениях может измеряться десятками полупериодов.
По окончании темной фазы возникает световое излучение, интенсивность которого промодулирована двойной частотой ВЧ напряжения. Фоторазвертки показывают, что в каждый полупериод свет вспыхивает одновременно во всех частях разрядного канала. Канальная форма разряда определяется условиями инициирования: начальные электроны освобождаются лазерным излучением с малой площади (-0,1 мм2) поверхности одного электрода. Канал продольно однороден и электродные пятна отсутствуют. По осциллограммам фототока в работе [45] сделано заключение, что экспоненциальный рост амплитуды световых импульсов в конце этой стадии заметно ускоряется.
Следующая стадия в развитии пробоя начинается появлением перемещающихся вдоль разрядного канала продольных градиентов интенсивности свечения. Перемещение этих градиентов — распространение волн свечения — начинается практически одновременно у обоих электродов. Вблизи электродов скорость распространения волн равна (0,2—1,2)·105 м/с и растет по мере их удаления от электродов. Такие скорости характерны для стримерного процесса.
Распространение интенсивных световых волн длится, как правило, два полупериода, между которыми интенсивность света проходит через минимум. После этого сначала начинает наиболее ярко светиться невозмущенная волнами часть канала. Затем развитие волн возобновляется на том же месте, где оно прервалось во время предыдущего полупериода. Одновременно там же рождаются новые волны, распространяющиеся в обратную сторону. Фоторазвертки подтверждают, что рождение волн свечения и электродных пятен связаны между собой. С их появлением начинается снижение ВЧ напряжения, приложенного к электродам. Следовательно, быстрое увеличение проводимости разрядного канала является результатом распространения волн свечения. Формирование высокопроводящего канала завершается снижением ВЧ напряжения, когда ускоренно движущиеся волны свечения (ионизационные волны) встречаются (рис. 3-6). Теперь ВЧ модуляция интенсивности света исчезает и ВЧ пробой переходит в новую фазу — фазу ВЧ дуги.
Рис. 3-7. То же, что и на рис. 3-6; f= 10 МГц, КU = 19%
Отличительной особенностью развития пробоя при частоте 10 МГц (рис. 3-7, KU=19%) является неоднородное с самого начала распределение интенсивности излучения вдоль канала. Яркие волны свечения и высокопроводящий разрядный канал образуются, как правило, уже во время того же полупериода, когда ЭОК и ФЭУ регистрируют первые световые явления в разряде. Ионизационные волны стартуют как с электродов, так и с других точек в разрядном канале. Волны, рождающиеся не на электродах, распространяются в сторону обоих электродов. Аналогично развивается пробой при частоте 20 МГц, когда ВЧ напряжение превышает пробивное напряжение. ВЧ пробой, протекающий по такой схеме, более похож на пробой под воздействием импульсного напряжения.
На основании описанной картины предлагается следующий механизм развития ВЧ пробоя. При частотах выше второй критической часть начальных электронов остается в разрядном промежутке и колеблется в такт с ВЧ полем, возбуждая и ионизируя газ. При этом часть электронов прилипает к молекулам кислорода, образуя отрицательные ионы. Таким образом, на начальном этапе формирования ВЧ пробоя происходит зависящее от перенапряжения относительно медленное накопление как положительных, так и отрицательных ионов и электронов. С ростом концентрации ионов и возбужденных частиц, а также с ростом температуры газа вклад отлипания в баланс заряженных частиц растет. В некоторый момент времени скорость отлипания становится сравнимой со скоростью ионизации, что приводит к ускорению экспоненциального роста интенсивности излучения. Рост концентрации электронов в стадии разрушения отрицательных ионов приводят к неустойчивости продольно однородного канала. Возникают ионизационные волны, зарегистрированные в эксперименте как интенсивные волны свечения. Обусловленное ими быстрое нарастание концентрации электронов приводит к росту проводимости канала и спаду напряжения на промежутке.
Если частота ВЧ напряжения ниже второй, но выше первой критической, то в межэлектродном промежутке накапливаются только положительные и отрицательные ионы, но не электроны. Электроны, поддерживающие ионизацию в темной фазе разряда, возникают в результате отлипания, либо представляют собой продукты ионизационных актов, состоявшихся в предшествующий полупериод ВЧ напряжения. Благодаря большей длительности полупериода время существования продольно квазиоднородного излучающего канала, измеренное числом полупериодов, значительно короче, чем при частоте 20 МГц, когда ВЧ напряжение ниже пробивного постоянного напряжения. Время, необходимое ионизационным волнам для создания высокопроводящего канала ВЧ дуги, также сокращается. Тем самым в рассмотренном частотном диапазоне механизм ВЧ пробоя с понижением частоты или повышением перенапряжения все больше приобретает черты импульсного пробоя.
Таким образом, в развитии ВЧ пробоя можно выделить следующие фазы: 1) лавинная стадия, контролируемая прилипанием электронов; 2) лавинная стадия, включающая интенсивное разрушение отрицательных ионов; 3) плазменная стадия, поддерживаемая ионизационными волнами; 4) ВЧ дуга. Наиболее существенная разница между импульсным и ВЧ пробоями заключается в существовании относительно длительной слаботочной стадии накопления заряженных частиц в случае ВЧ пробоя.
