Коронный разряд постоянного напряжения начинается в зависимости от полярности коронирующего электрода с появления либо вспышечных импульсов или стримеров (положительная корона,), либо импульсов Тричела (отрицательная корона). Хотя, начиная с частоты порядка одного мегагерца длительность полупериода ВЧ напряжения становится сравнимой с временами формирования этих импульсов, а напряжение их возникновения при высокой частоте становится заметно ниже, чем при постоянном напряжении, имеется ряд экспериментов, свидетельствующих о том, что вплоть до частоты 20 МГц ВЧ разряд зажигается именно стримером или импульсом Тричела, возникающим во время одного из полупериодов приложенного ВЧ напряжения [47, 49—51]. С этого момента и начинается распространение ВЧ разряда в разрядном промежутке. Ниже приводятся некоторые факты, подтверждающие эти утверждения, а также результаты оптических регистраций развития ВЧ разряда в разрядном промежутке.
Экспериментальная установка для изучения электрического разряда в промежутках с резконеоднородными электрическими полями схематически изображена на рис. 3-8. Для исследования развития разряда удобнее всего использовать разрядный промежуток РП острие — плоскость. Непрерывное или нужным образом модулированное ВЧ напряжение подается на разрядный промежуток от генератора ВЧ. Одновременно с ВЧ напряжением на острие можно подавать постоянный потенциал желаемой полярности и величины от источника постоянного напряжения ПН. Амплитудное значение напряжения на промежутке измеряется диодным вольтметром.
Рис. 3-8. Экспериментальная установка для исследования возникновения и развития ВЧ разряда
Импульсы тока можно снимать с измерительного устройства ИУ и исследовать с помощью электронного осциллоскопа ОСЦ или какого-либо другого прибора. Регистрирующим устройством РУ для наблюдения за световыми явлениями в РП может быть невооруженный глаз, телемикроскоп, фотоаппарат, кинокамера, фотоумножитель, электронно-оптический преобразователь с усилителем света, спектральный прибор и т. п. Регулирующее устройство РГУ используется для того, чтобы установка работала в желаемом режиме, и чтобы синхронизировать работу ее отдельных узлов с импульсами разряда. Эта система, как правило, состоит из ряда блоков и может быть весьма сложной.
Описанная схема пригодна для исследования сколь угодно длинных разрядных промежутков. Здесь же приводятся результаты экспериментов с короткими промежутками, в которых острием служила платиновая или вольфрамовая проволока диаметром (1—3) мм с полусферической или конической вершиной. Плоским электродом обычно служила латунная или стальная пластина, перпендикулярная к оси проволоки. Длина межэлектродного промежутка — до 40 см. Разрядный промежуток может находиться в металлической камере или быть окружен простой или двойной экранирующими сетками.
Наиболее важные результаты экспериментов следующие. На рис. 3-9—3-13 приведены статические фотографии стримеров, импульсов Тричела короны постоянного напряжения и фоторазвертки световых явлений на начальных стадиях ВЧ разряда. Платиновое проволочное острие диаметром d=3 мм имело полусферически обработанную вершину. Длина воздушного промежутка 1=40 мм. Снимки получены с экрана электронно-оптической камеры ЛВ-03 [50]. Они со всей очевидностью свидетельствуют о том, что при частоте 3,33 МГц ВЧ разряд зажигается действительно стримером или импульсом Тричела, мало отличающимися по внешнему виду от соответствующих импульсов короны постоянного напряжения. Дальнейшее распространение ВЧ разряда связано с формированием и развитием так называемого основного канала разряда, светящегося и в положительные, и в отрицательные полупериоды ВЧ напряжения. Во время положительных полупериодов с вершины этого канала развиваются стримеры, во время отрицательных у головки канала наблюдается диффузное свечение. Скорость распространения основного канала составляет около 103 м/с.
Фоторазвертка ВЧ разряда на частоте 10 МГц показана на рис. 3-13. При этой частоте ВЧ разряд также начинается импульсом Трипена или стримером (рис. 3-13). По сравнению с предыдущим случаем (f=3,33 МГц) размеры зажигающего ВЧ разряд стримера заметно меньше. Очевидно, это связано с тем, что на рассматриваемой частоте длительность активной части полупериода (примерно 10-8 с) существенно меньше времени формирования стримера. В остальном процесс распространения разряда подобен процессу, происходящему при частоте 3,33 МГц.
Pиc. 3-11. Фоторазвертка начальных стадий одноэлектродного ВЧ разряда при частоте 3,33 МГц и напряжении 13,1 кВ (KU=5%), Частота модуляции света 6,66 МГц. ВЧ разряд начинается с появления стримера Развертка по времени слева направо и сверху вниз
Рис. 3-12. То же, что на рис. 3-11, но разряд начинается с появления импульса Тричела. Развертка по времени слева направо и сверху вниз
Рис. 3-13. Фоторазвертка разряда при частоте 10 МГц и напряжении 12,7 кВ (KU=20%). Частота модуляции света 20 МГц. Развертка по времени слева направо и сверху вниз
О характере развития разряда за более длинный интервал времени дают представление снимки импульсного разряда, полученные непосредственно фотоаппаратом, затвор которого открыт в течение всей длительности импульса напряжения [52, 53, 54). Длительность экспозиции при этом равна, следовательно, длительности разряда На рис. 3-14 приведена серии снимков вспышек разряда разной длительности, полученных описанным методом при частоте 10 МГц и перенапряжении 15%. На снимках видны лишь основные каналы. Обычно они разветвляются и плавно изгибаются вниз в сторону острия, образуя дугообразные каналы. С увеличением продолжительности разряда с наружных частей дугообразных каналов могут развиваться новые ветви, которые сначала распространяются перпендикулярно к соответствующему участку исходного канала, а затем также изгибаются вниз. Одновременно с удлинением каналов происходит их обрастание диффузным свечением все большей толщины. В случае дугообразных каналов диффузное свечение распределено вокруг оси канала не симметрично, а смещено от центра кривизны канала наружу.
Когда один из каналов пересекает межэлектродный промежуток, возникает ВЧ пробой промежутка. Когда этого не происходит, ветви основного канала вместе с окружающим их диффузным свечением превращаются со временем в одну из стационарных форм одноэлектродного ВЧ разряда — в ВЧ корону при частотах меньше 10 МГц, или в факельный разряд при более высоких частотах.
Рис. 3-15. Статические снимки вспышек ВЧ разряда длительностью 1 мс при разных напряжениях, частота 10 МГц. Вольфрамоное острие с конической вершиной. Угол заточки 30°, d=2,0 мм, L=40 см
Зависимость формы разрядных вспышек постоянной продолжительности от перенапряжения при частоте 10 МГц показана на рис. 3-15. Характерным является большая разветвленность и большая скорость распространения каналов с увеличением перенапряжения. Подобные визуальные наблюдения при частотах 10>f>20 МГц выявили следующие особенности. На частотах ниже 10 МГц характерны прямолинейные разветвленные каналы, подобные стримерным каналам короны постоянного напряжения. Их отличительной особенностью является большая яркость по сравнению со стримерами. На частотах выше 10 МГц каналы являются дугообразными еще в большей степени, чем на частоте 10 МГц. Они разветвляются, как правило, симметрично относительно острия и изгибаются вниз, особенно при малых перенапряжениях [21]. Из-за сильного искривления каналов увеличение продолжительности разряда и перенапряжения на промежутке относительно мало (по сравнению с меньшими частотами) содействуют распространению разряда в глубину разрядного промежутка.
Заметно влияет на форму вспышек ВЧ разряда, начиная с частоты около 10 МГц, дополнительный постоянный потенциал на острие [53, 54]. На рис. 3-16 показана зависимость формы основных каналов ВЧ разряда от дополнительного постоянного потенциала на острие. Характерной является слабая зависимость формы каналов от отрицательного дополнительного потенциала при сравнительно малых его значениях, в го время как под действием положительного потенциала каналы спрямляются, становятся менее разветвленными и, начиная с определенного значения этого потенциала, распространяются по оси остриевого электрода.
Надо отметить, что на форму каналов ВЧ разряда, особенно при отрицательном постоянном потенциале на острие, сильно влияет влажность воздуха [55]. На рис. 3-17 приведены снимки вспышек ВЧ разряда, снятых в одинаковых условиях за исключением влажности воздуха. По-видимому, нет другого типа газового разряда, внешняя форма которого так сильно зависела бы от влажности.
Интересную информацию о процессе развития ВЧ разряда при частоте 10 МГц получили Хейдон и Сато, использовавшие для исследования разряда усилители света на микроканальных пластинах и монохроматор [56, 57]. Эта техника позволила получить с экспозицией 10 нс до восьми снимков разряда в разные моменты времени в пределах одного периода. В основном световые явления обязаны возбужденным состояниям молекул азота 
и положительным ионам азота
. По распределению относительных интенсивностей соответствующих спектральных линий авторы работы смогли выяснить характер распределения электрического поля и пространственных зарядов положительных и отрицательных ионов вдоль разрядного промежутка.
По приведенным наблюдениям процесс возникновения и распространения ВЧ разряда в частотном диапазоне от нескольких единиц до нескольких десятков мегагерц представляется следующим. Во время одного из положительных полупериодов приложенного ВЧ напряжения на остриевом электроде возникает стример, хотя амплитудное значение напряжения при этом может быть на несколько десятков процентов ниже порогового напряжения стримеров короны постоянного напряжения. Напряженность поля у острия и ее распределение, необходимое для возникновения стримера при ВЧ напряжении, обеспечиваются благодаря накоплению заряженных частиц в темной (лавинной) стадии разряда. Если пороговое постоянное напряжение импульса Тричела сравнимо с пороговым напряжением стримера (или тем более заметно ниже), то при зажигании ВЧ разряда стримеру может предшествовать (предшествует) импульс Тричела. Последний создает благоприятные условия (наличие электронов, отрицательных ионов и усиленного поля у острия) для развития последующего стримера.
Стример оставляет за собой обычно древообразный след возбужденного и ионизированного холодного газа. Протяженность следа при прочих равных условиях зависит от частоты и может быть такой же, как при постоянном напряжении (низкие частоты) или значительно меньше (высокие частоты). Последнее обусловлено тем, что длительность активной части полупериода приложенного напряжения при высоких частотах меньше времени формирования стримера при постоянном напряжении.
Во время последующих положительных полупериодов по следу стримера распространяются волны ионизации и возбуждения. Эти волны могут рассматриваться как повторные стримеры, так как представляют собой быстро перемещающиеся малые области возбуждения и ионизации (подобные головке стримера). Основное отличие их от стримера в классическом понимании заключается в том, что они развиваются в предварительно возмущенной, слабоионизированной среде. Благодаря этому перед головкой повторного стримера имеется достаточно много инициирующих электронов независимо от интенсивности фотоионизации собственным излучением стримера.
Повторные стримеры формируют более яркий основной канал ВЧ разряда, который развивается от острия в разрядный промежуток по следу предшествующего стримера со скоростью, заметно меньшей скорости распространения стримеров. В основном канале разряда волны возбуждаются во время каждого полупериода. Они возбуждаются у острия и распространяются с убывающей скоростью по основному каналу разряда вглубь разрядного промежутка. Такая волна, достигая вершины основного канала, вызывает там в положительные полупериоды развитие стримеров (как повторных, так и новых). По своей физической природе волны, наблюдаемые в основном канале ВЧ разряда, можно отнести к медленным аксиально-симметричным поверхностным ТМ-волнам, распространяющимся вдоль плазменного волновода. Поверхностные волны являются переносчиками энергии от высоковольтного электрода в канал разряда.
Стримеры, развивающиеся вначале с острия, а затем в положительные полупериоды с вершины основного канала, определяют пространственную структуру импульсного ВЧ разряда. Основной канал ВЧ разряда является тоже разветвленным, но число его ветвей обычно заметно меньше числа ветвей стримеров, поскольку трансформация стримерных каналов происходит выборочно, в зависимости от их исходного состояния и расположения в разрядном промежутке и друг относительно друга.
Подобный процесс распространения поверхностно-ионизационных волн по основному каналу и возникновения стримеров с вершины основного канала повторяется до тех пор, пока одна из ветвей основного канала не достигает противоположного электрода, вызывая тем самым ВЧ пробой промежутка. По внешнему виду описанный процесс развития ВЧ разряда в резконеоднородном поле напоминает развитие длинной искры [58]. В роли лидера выступает основной канал ВЧ разряда, а стримеры перед основным каналом образуют стримерную зону, как и в длинной искре. В наиболее развитой форме такое развитие разряда можно наблюдать в случае быстронарастающего ВЧ напряжения.
По мере удлинения основного канала происходит переход от описанного стримерного механизма к более медленным механизмам распространения ВЧ разряда, даже при неизменном ВЧ потенциале на острие. Вначале прекращается рождение новых стримеров, затем начинают ослабевать и укорачиваться повторные стримеры. Наконец роль стримеров в распространении ВЧ разряда утрачивается полностью. Определяющими становятся процессы переноса — конвекция, диффузия и теплопроводность. Разряд приобретает стационарную форму.
