Чтобы понять, как управлять износом электродов в мощных устройствах, исследователи выяснили главное условие, при котором катод начинает испаряться взрывообразно.
Взрывное испарение медного катода при высоком давлении воздуха
Казалось бы, что может быть проще и изученнее, чем электрическая искра? Ее исследованием занимались еще в прошлом веке, и многие считали этот процесс давно понятным. Однако то, что происходит в первые мгновения после пробоя, буквально за первые наносекунды, долгое время оставалось загадкой. Ученые не могли заглянуть в ту микроскопическую область прямо у поверхности электрода, где зарождается так называемая плотная плазма. А ведь именно это первородное облако ионизированного вещества определяет, как будет развиваться весь дальнейший разряд. Главный вопрос заключался в том, из чего же состоит эта плазма — из ионизированного воздуха, окружающего электроды, или из частиц материала самого катода? Ответ на него очень важен не просто для фундаментальной науки, но и для самых разных прикладных вещей: от надежности систем зажигания до производства наночастиц.
Чтобы разобраться в этом, команда исследователей из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН, Московского физико-технического института и Московского государственного университета провела эксперимент. Они взяли два электрода, расположили их на расстоянии примерно в два миллиметра друг от друга, а в качестве катода использовали тонкую медную проволочку. Ее диаметр был всего 100 микрометров — это примерно как толщина человеческого волоса. Разряд проходил в воздухе, но ученые меняли давление — от низкого до обычного атмосферного.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Самое интересное началось, когда они применили уникальную систему лазерной подсветки. Эта установка позволяла делать до восемнадцати снимков за один импульс разряда, причем каждый кадр «замораживал» время с точностью до наносекунды, а детализация изображения доходила до 2–3 микрометров. То есть ученые буквально увидели рождение плазмы в реальном времени, кадр за кадром.
И вот что им открылось. Оказалось, что существует четкая граница, порог, который делит поведение разряда на два абсолютно разных типа. Этот порог лежит в районе давления в 100 миллиметров ртутного столба.
Когда давление выше этого значения (вплоть до обычного атмосферного), разряд стартует по «взрывному» сценарию. Представьте: поверхность медной проволоки не идеально гладкая, на ней есть микроскопические бугорки и неровности. В сверхсильном электрическом поле эти крошечные участки не выдерживают и буквально взрываются. Весь процесс занимает меньше одной наносекунды. В результате прямо у катода возникает облачко, состоящее из испарившейся и тут же ионизированной меди. Плотность электронов в этом облаке оказалась в десять раз выше, чем если бы мы просто ионизировали весь окружающий воздух. И это логично: металл гораздо плотнее газа.
При низком давлении разряд развивается за счёт объёмной ионизации газа
А что происходит, если давление падает ниже тех самых 100 миллиметров ртутного столба? Механизм взрыва на катоде просто исчезает, как по команде. Снижаешь давление на пару десятков единиц — и все, взрывного испарения меди нет. Почему так происходит? При пониженном давлении прикатодный слой газа расширяется, и локальное электрическое поле у поверхности ослабевает — его уже недостаточно, чтобы вырвать атомы металла и взорвать их. Однако разряд не гаснет, он просто переходит в другой режим. Теперь плазма образуется исключительно за счет ионизации самого воздуха в промежутке между электродами. Источник меняется: не металл, а газ.
Руководитель этого исследования Егор Паркевич поясняет:
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.
Для того чтобы создать такое металлическое облако, требуется испарить и ионизировать микроскопический кусочек меди объемом от пяти до тридцати кубических микрометров. Это невероятно малый объем, но его достаточно для возникновения плотной плазмы.
Это открытие дает инженерам очень полезный инструмент. Теперь, меняя всего лишь давление газа, можно управлять процессами двумя способами.
- Если нам нужно получить много металлических наночастиц (например, для производства новых материалов), мы держим высокое давление — катод будет разрушаться и давать богатый «урожай» медной пыли в виде плазмы.
- Если же мы проектируем высоковольтные выключатели и хотим, чтобы электроды служили долго и не изнашивались, мы снижаем давление ниже порогового — тогда взрывного испарения не будет, и разрушение катода практически прекратится, при этом разряд все равно будет работать за счет ионизации газа.
В дальнейшем ученые планируют изучить, какие именно наночастицы получаются в этих разных режимах, и можно ли применить этот эффект для систем с множеством игольчатых катодов.
Ранее ученые выяснили, как устроен хаос в жидкостях и газах.
