Статьи

Экспериментально исследованы распространение и структура импульсного микро-плазменного разряда (длительность разряда 100 мкс, амплитуда электрического тока в разряде 200 А), инициируемого на поверхности титанового образца, покрытого тонкой диэлектрической пленкой толщиной около 10 нм, широкоапертурным потоком плазмы c плотность плазмы 21013 см-3 и длительностью импульса 25 мкс. Обнаружено, что свечение микроплазменного разряда визуально в макромасштабе имеет разветвленную структуру типа дендрита, которая в микромасштабе состоит из большого количества ярко светящихся «точечных» образований – локализованных на поверхности металла катодных пятен. В результате взаимодействия микроплазменного разряда с образцом титана происходит эрозия его поверхности. При этом эрозионная структура визуально «идентична» структуре свечения разряда и состоит из большого количества отдельных микрократеров с характерными размерами от 0,3 до 10 мкм, локализованных на поверхности металла в пределах области площадью 1 см2. Вся совокупность микрократеров в макромасштабе образует разветвленную структуру типа дендрита. Установлено, что микроплазменный разряд распространяется вдоль поверхности титана, по-крытого тонкой диэлектрической пленкой, со средней скоростью 70 м/с. Причём, распространение микроплазменного разряда имеет «прыжковый» характер: плазма «неподвижных» горящих катодных пятен инициирует возбуждение новых катод-ных пятен на расстояниях локализации 3–30 мкм от них.

Экспериментально исследованы распространение и структура микроплазменного разряда, инициируемого в вакууме импульсным потоком плазмы с плотностью 1013 см–3 на поверхности титанового образца, покрытого тонкой сплошной диэлектрической оксидной пленкой титана толщиной 2–6 нм, при изменении электрического тока разряда от 50 А до 400 А. Интегральное свечение микроплазменного разряда в макромасштабе представляет собой разветвленную структуру типа дендрита, которая в микромасштабе состоит из большого количества ярко светящихся «точечных» образований – локализованных на поверхности металла катодных пятен. Возникающая при этом эрозионная структура на поверхности титана «идентична» структуре свечения разряда и состоит из большого количества отдельных неперекрывающихся микрократеров с характерными размерами 0,1–3 мкм, которые образуются в местах локализации катодных пятен на расстояниях до 20 мкм друг от друга. Распространение одиночного микроплазменного разряда по поверхности титана происходит со средней скоростью 15–70 м/с при токах разряда 50–400 А. Распространение микроплазменного разряда в микромасштабе имеет «прыжковый» характер: плазма «неподвижных» горящих катодных пятен, в течение времени их жизни 1 мкс, инициирует возбуждение новых микро-разрядов, которые создают новые катодные пятна на расстояниях локализации от 1 мкм до 20 мкм от первичных катодных пятен. Такой процесс повторяется многократно в течение импульса микроплазменного разряда длительностью от 0,1 мс до 20 мс.

Экспериментально исследована структура свечения микроплазменного разряда, инициируемого в вакууме импульсным потоком внешней плазмы на поверхности титанового образца, покрытого естественной сплошной оксидной пленкой толщиной 2–6 нм. При воздействии плазмы с плотностью около 1013 см–3 и электронной температурой 10 эВ на поверхность образца, с отрицательным потенциалом 400 В относительно потенциала плазмы, внешняя поверхность оксидной пленки приобретает положительный электрический заряд в результате потока ионов из плазмы. При этом внутри диэлектрической пленки возникает сильное электрическое поле около 4 МВ/см. Электрический пробой между заряженной поверхностью пленки и металлом инициирует возбуждение микроплазменного разряда на поверхности титана. Интегральное свечение микроплазменного разряда в макромасштабе представляет собой разветвленную структуру типа дендрита, которая в микромасштабе состоит из большого количества ярко светящихся «точечных» образований – локализованных на поверхности металла катодных пятен и свечения ореола вокруг них. С помощью высокоскоростного фоторегистратора IMACON-468 исследован фрагмент поверхности титана площадью 0,50,4 мм2 в области свечения катодных пятен. На основе анализа оптического свечения катодных пятен на 7 последовательных кадрах фоторегистратора с экспозицией каждого кадра 100 нс и интервалом между кадрами 400 нс рассчитано ожидаемое «время жизни» катодных пятен в интервале значений 0,50,2 мкс. По пространственному распределению свечения микроразрядов определено, что средний диаметр катодных пятен составляет величину около 164 мкм, при этом средний размер светящегося ореола вокруг отдельного катодного пятна достигает значения 100 мкм.

Найдено аналитическое решение уравнения Пуассона для расчета электрического поля на поверхности электрода, погруженного в однородную неизотермическую бесстолкновительную плазму, состоящую из электронов и однозарядных ионов с зарядом e, с температурой электронов Te, при больших значениях отрицательного электрического потенциала , когда параметр |e| / Te >> 1. Установлено, что размер слоя L плазмы с нарушенной квазинейтральностью вблизи высокопотенциального электрода увеличивается по сравнению с радиусом Дебая rD пропорционально параметру [e / 2Te]3/4 , L = rD [e / 2Te]3/4. Показано, что в лабораторной плазме с плотностью в интервале значений 10101013 см3 и температурой электронов от 1 до 10 эВ при больших значениях потенциала и параметра e/Te >> 1 электрическое поле, рассчитанное по полученной формуле E =  | L вблизи поверхности погруженного в плазму электрода, от 20 до 200 раз меньше значений полей, рассчитанных по классической формуле E =  | rD, полученной при малых потенциала и при значениях параметра e / Te << 1.

На поверхности металлического электрода, погруженного в плазму с электронной температурой Te  10 эВ и плотностью плазмы ne от 1010 см3 до 1013 см3 рассчитывается электрическое поле при значениях отрицательного электрического потенциала 0 электрода при больших значениях параметра |e0|/Te >> 1. Полученная асимптотическая формула для величины поля при |e0|/Te >> 1 существенно отличается от классических формул расчета электрического поля и дебаевской длины экранирования поля вблизи поверхности электрода в плазме, которые справедливы при условии |e0|/Te << 1. Показано, что при |e0|/Te >> 1 вблизи электрода в плазме модифицированный дебаевский слой может на два порядка превышать классическую дебаевскую длину. Для расчета электрического поля на поверхности электрода в плазме предложена в явном виде обобщённая формула, справедливая в широком диапазоне значений параметра 0 < |e0|/Te < 104 при отрицательных значениях потенциала электрода до 10 кВ.

Выполнен расчет электрического поля на поверхности металлического электрода, покрытого сплошной диэлектрической пленкой, и погруженного в плазму, при от-рицательном потенциале электрода , когда параметр e существенно превышает температуру Te электронов ( ). Установлено, что в результате зарядки внешней поверхности пленки толщиной 10–1000 нм потоком положительных ионов из плазмы внутри пленки возникает сильное электрическое поле, величина которого может достигать значений 110 МВ/см при плотности плазмы 10121013 см3 и температуре электронов Te = 10 эВ. В разрывах диэлектрической пленки величина электрического поля соизмерима с величиной поля внутри пленки. На поверхности диэлектрической пленки и на чистой поверхности металла без пленки величина электрического поля в плазме существенно меньше полей внутри пленки. Сильные электрические поля внутри пленки и в ее разрывах могут приво-дить к электрическому пробою внутри пленки или в ее разрывах. Электрический пробой диэлектрической пленки может инициировать униполярные дуги на металлах, возбуждать микроплазменные разряды и образовывать центры взрывной электронной эмиссии на поверхности металлов в плазме.