Исследователи из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН, МФТИ и МГУ описали механизм рождения плотной плазмы в быстрых электрических разрядах при разных давлениях воздуха и впервые показали резкую границу перехода между двумя сценариями. Оказалось, что при давлении выше 100 миллиметров ртутного столба вещество для плазмы поставляет сам катод: микроскопические участки его поверхности взрывообразно испаряются под действием сверхсильного электрического поля. Если же давление ниже этого порога, разряд развивается иначе — только за счёт ионизации газа, и плотная плазма не образуется. Результаты опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
В экспериментах использовалась уникальная система пикосекундной лазерной визуализации, позволяющая получать до 18 кадров за один импульс с временным разрешением около 1 наносекунды и пространственным — до 2–3 микрометров. Катодом служила медная проволока диаметром 100 микрометров — сопоставимая с человеческим волосом. Учёные обнаружили, что при давлении от 100 мм рт. ст. до атмосферного (760 мм рт. ст.) разряд стартует по «взрывному» сценарию: весь процесс занимает менее 1 наносекунды, а образуется облако металлической плазмы с плотностью электронов в десять раз большей, чем можно получить при полной ионизации воздуха.
Снижение давления всего на несколько десятков миллиметров ртутного столба относительно 100 мм рт. ст. приводит к исчезновению взрывного выброса металла с катода. Разряд переходит в режим, управляемый объёмной ионизацией газа. Это происходит из-за ослабления локального электрического поля на поверхности катода: при пониженных давлениях катодный слой значительно расширяется. Фундаментальный переход отражает конкуренцию двух источников плазмы — вещества катода и окружающего газа.
Открытие даёт новый способ управлять процессами плазмообразования в импульсной энергетике и при синтезе металлических наночастиц. Управляя давлением газа и режимом разряда, можно либо целенаправленно влиять на выход и состав наночастиц в генераторах, либо повышать надёжность высоковольтных коммутаторов, минимизируя разрушение электродов. В дальнейшем учёные планируют исследовать свойства металлических наночастиц, образующихся после разряда в различных режимах, а также проанализировать возможности масштабирования эффекта на многоострийные катодные системы. Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ.
Изображение: кадры высокоионизованной прикатодной плазмы, зарегистрированные спустя 0,5 наносекунд после пробоя разрядного промежутка в воздухе при атмосферном давлении.
Источник: Егор Паркевич / ФИАН.
