Российские исследователи из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, МФТИ и МГУ впервые наблюдали резкую границу между двумя вариантами образования плазмы в электрическом разряде. Их исследование, поддержанное грантом Российского научного фонда, опубликовано в журнале Applied Physics Letters.
В эксперименте использовался медный катод толщиной 100 микрометров и межэлектродное расстояние около 2 мм. Процесс происходил у поверхности катода, что удалось зафиксировать с помощью пикосекундной лазерной визуализации: 18 кадров за импульс с временным разрешением на уровне наносекунд. Наблюдение показало, что при давлении окружающего газа ниже порогового (~100 мм ртутного столба) разряд поддерживается ионизацией газа; выше порога механизм рождает металлизированную плазму по «взрывному» сценарию, когда микронные неровности на катоде испаряются под действием электрического поля.
Плотность электронов в металлической плазме превышает показатели при полной ионизации воздуха примерно в десять раз, переход занимает менее наносекунды. При снижении давления ниже порога локальное электрическое поле у поверхности катода ослабевает из-за расширения катодного слоя, что препятствует запуску взрывного механизма.
Данное открытие позволяет управлять процессами плазмообразования в импульсной энергетике. Регулируя давление, можно целенаправленно запускать либо синтез металлических наночастиц и плазменных потоков для нанесения покрытий, либо минимизировать эрозию электродов, что улучшит надежность высоковольтных устройств.
В будущем команда планирует изучить физические свойства образующихся наночастиц и перенести наблюдаемый эффект на многоострийные системы с более сложной геометрией. Это позволит разрабатывать класси разрядных систем — от лабораторных источников наноматериалов до промышленной импульсной техники с настраиваемыми режимами работы.
