Исследователи из ФИАН, МФТИ и НИИЯФ МГУ впервые детально изучили, как меняется пространственная структура системы плазменных каналов в наносекундной электрической искре в воздухе при увеличении давления от 100 торр до атмосферного.
В ходе работы был обнаружен явный пороговый эффект: при превышении определенного давления в искровом разряде запускается процесс мелкомасштабной филаментации — однородный плазменный канал быстро распадается на пучок ультратонких, высокоионизованных нитей. Эксперименты также позволили выявить режимы, при которых высокоионизованная плазма формируется не в объеме разрядного промежутка, а концентрируется исключительно вблизи катода.
Эти фундаментальные результаты важны для построения точных моделей газоразрядной плазмы, расчета плазмохимических процессов и лабораторного моделирования длинных искровых каналов, в том числе для исследований, связанных с физикой молниевых разрядов. Работа опубликована в престижном журнале Physical Review E и поддержана грантом Российского научного фонда (№ 24-79-10167).
Фотография представляет собой однократную 6-секундную экспозицию трех последовательных ударов молнии, которые произошли почти одновременно. Фото: Rollingskyphoto, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons
Электрическая искра в воздухе, которую мы часто видим невооруженным глазом как сплошной ярко светящийся шнур, на микроуровне может иметь совершенно иную структуру. Результирующий канал искры, который в среднем диаметром сотни микрометров, во время своего развития за единицы наносекунд становится неустойчивым и распадается на десятки микроканалов диаметром около 20 микрометров.
В воздухе, при атмосферном давлении, внутри микроканалов плазма достигает экстремальных состояний, близких к полной ионизации, при концентрации электронов до 5 × 1019 см⁻3 («потолок» электронной плотности при 100% диссоциации и однократной ионизации всех образующихся атомов). При этом состояние плазмы близко к локальному термодинамическому равновесию (ЛТР) с температурой в десятки тысяч градусов.
Наличие или отсутствие мелкомасштабной структуры в результирующем канале искрового разряда напрямую определяет его ключевые характеристики: удельный энерговклад, пространственную неоднородность и параметры плазмы, что крайне важно для многих прикладных задач.
Главный вопрос, на который искали ответ физики: при каких условиях в разряде возникает эта сложная микроструктура и можно ли ею управлять? Для этого ученые провели серию уникальных экспериментов, исследуя импульсный наносекундный высоковольтный разряд в воздухе при давлениях 100–760 торр (атмосферное давление).
Эксперименты проводились в разрядной камере в промежутке между очень тонким катодом — медной проволокой миллиметровой длины диаметром 100 мкм, и плоским анодом, который был удален от торца катода на 2 мм. На этот разрядный промежуток с точностью до нескольких микрометров была настроена оптическая система диагностик. Разряд в промежутке инициировался при подаче на него импульсов напряжения амплитудой 25 кВ с фронтом порядка нескольких наносекунд и длительностью десятки наносекунд. При этом ток разряда достигал нескольких сотен ампер.
Рисунок 1. (a) Схема экспериментальной установки и оптической диагностики: короткий лазерный импульс (532 нм, 70 пс) проходит через разрядную камеру, разрядный промежуток с плазмой и регистрируется оптической системой, в которой одновременно записываются интерферограмма, шлирен-изображение и теневой снимок с разрешением 2–3 мкм. Всего за один выстрел шести лазерных пучков зондируют разряд с шагом 1–2 нс, что позволяет восстановить распределение электронной плотности и микроструктуру плазмы за наносекунды после пробоя. (b) Геометрия разрядного промежутка «острийный катод — плоский анод» длиной 2 мм, который «просвечивается» лазерным излучением. Источник: Егор Паркевич
Ключевым инструментом исследования стала установка с мультикадровым пикосекундным лазерным зондированием. Короткие лазерные импульсы регистрировали состояние плазмы с пространственным разрешением 2–3 микрометра и временным шагом 1–2 наносекунды. Для понимания масштаба времени: за 1 наносекунду свет в вакууме проходит лишь 30 сантиметров.
Особой инженерной задачей стала синхронизация шести независимых лазерных пучков и создание для каждого из них отдельного оптического канала регистрации. Это позволило в рамках одного разряда одновременно получать три типа диагностических изображений плазмы: интерферограммы (фазовый портрет, дающий распределение электронной плотности), тенеграммы (яркостная картина, выявляющая микронные неоднородности) и шлирен-изображения (высококонтрастная съемка, чувствительная к резким градиентам плотности).
Такая многоканальная диагностика впервые позволила в режиме реального времени отслеживать эволюцию плазменных структур с беспрецедентной детализацией и на основе комплексной обработки данных восстановить трехмерную картину распределения электронной плотности в развивающемся разряде.
В ходе исследований ученые показали, что канал электрической искры зарождается в крошечной области на катоде. Его формирование инициирует волну ионизации, которая движется от катода со скоростью порядка 10⁷ см/с и на фронте которой происходит быстрая (за время около 1 нс) наработка высокоионизованной плазмы. На некотором расстоянии от катода фронт волны теряет целостность и дробится на множество тонких микроканалов.
Рисунок 2. Серия лазерных интерферограмм разрядного промежутка, снятых на длине волны 532 нм в отдельных выстрелах при давлениях воздуха 100–760 торр вскоре после электрического пробоя. По мере приближения к атмосферному давлению на фронте разряда все отчетливее проявляется тонкая микроструктура. Источник: Егор Паркевич
Важным открытием стало обнаружение порогового давления воздуха, при котором этот процесс начинается. В диапазоне 400–760 торр фронт ионизационной волны практически всегда распадается, формируя сеть микроканалов. Однако при снижении давления до ~300 торр микроструктура перестает наблюдаться, и разряд развивается в виде однородного плазменного канала. Скорость самой ионизационной волны (~10⁷ см/с) при этом почти не зависит от давления.
При давлениях около 100–200 торр картина разряда кардинально меняется: вместо формирования в межэлектродном промежутке протяженных микроканалов происходит интенсивная генерация высокоионизованной плазмы непосредственно в прикатодной области. Ее возникновение обусловлено взрывной электронной эмиссией. Анализ показал, что она состоит преимущественно из ионизованных паров материала катода (меди). Эта плазма остается локализованной вблизи катода, не развиваясь в сторону анода. При дальнейшем снижении давления ниже ~100 торр ее образование становится спорадичным и полностью прекращается, что также указывает на пороговую природу исследуемого явления.
Рисунок 3. Лазерные шлирен-изображения разряда, зарегистрированные на длине волны 532 нм в отдельных выстрелах при давлениях воздуха 100–760 торр. Шлирен-метод особенно чувствителен к резким градиентам показателя преломления, поэтому на этих кадрах отчетливо проявляются границы формирующегося плазменного канала и его внутренняя микроструктура. Источник: Егор Паркевич
Теоретический анализ, основанный на моделировании кинетики реакций ступенчатой диссоциации молекулярного азота и ступенчатой ионизации образующихся атомов, позволил выявить ключевой параметр, определяющий возможность формирования высокоионизованной плазмы.
Расчеты показали, что характерное время, необходимое для протекания этих реакций и развития быстрой наносекундной контракции разрядных каналов (сжатия канала разряда в узкий плазменный шнур), сильно зависит как от величины электрического поля, так и от давления воздушной среды. Это объясняет, почему в воздухе при давлении, близком к атмосферному, быстрая интенсивная генерация высокоионизованной плазмы в зоне фронта волны ионизации может рассматриваться как реальный сценарий развития данного разряда. При снижении давления это время резко возрастает, что приводит к качественным изменениям в структуре канала искры — переходу от образования системы плазменных микроканалов к локализации высокоионизованной плазмы в непосредственной близости от катода.
Однако физический механизм, запускающий мелкомасштабную филаментацию (распад фронта волны ионизации на множество микроканалов), а также причина появления порога по давлению для этого процесса остаются необъясненными в рамках существующих теоретических моделей и представляют открытую проблему, требующую дальнейших исследований.
«Наши эксперименты впервые системно выявили, как давление воздуха выступает “переключателем” между принципиально разными режимами развития искры — от образования сложной микроструктуры из множества тончайших плазменных нитей до формирования гладкого, однородного канала. Обнаруженные четкие пороговые эффекты — ключ к пониманию, какие условия в газовой среде приводят к структурной перестройке разряда. Такое понимание критически важно как для фундаментальной физики быстрого плазмообразования, так и для прикладных технологий, где структура плазмы определяет результат, например при управляемом синтезе металлических наночастиц»,— прокомментировал руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, старший научный сотрудник ФИАН Егор Паркевич.
Рисунок 4. Лазерные теневые снимки разрядного промежутка, зарегистрированные при зондировании на 532 нм в отдельных выстрелах при давлениях воздуха 100–760 торр. В теневом методе контраст возникает из-за дифракции на микронных неоднородностях, поэтому он буквально «проявляет» тонкую внутреннюю структуру плазмы: при высоких давлениях внутри развивающегося канала заметны многочисленные узкие нити и разветвления, соответствующие микроканалам, а при снижении давления к пороговой области и ниже характерная «волокнистость» исчезает, уступая место более однородному профилю. Источник: Егор Паркевич
«Количественные результаты — измеренные пороги давления и соответствующие им профили электронной плотности, полученные с использованием наших продвинутых кодов обработки данных,— задают новые, строгие экспериментальные рамки для теоретических моделей, описывающих развитие неустойчивостей и быстрое формирование плазмы в искровых каналах. В перспективе мы планируем исследовать влияние других параметров, таких как состав газа, геометрия электродов и предыонизация, чтобы понять, можно ли управлять порогом филаментации и, следовательно, „тонкой внутренней структурой” разряда»,— добавил Тимофей Хирьянов, старший преподаватель кафедры информатики и вычислительной математики МФТИ.
Рисунок 5. Карты фазового сдвига и восстановленной электронной плотности, полученные из лазерных интерферограмм. Эти «карты» показывают, как от острийного катода развивается плазменный канал и как меняется его внутренняя структура — от более гладкого распределения до выраженной филаментации. Отмеченные на изображениях участки соответствуют фрагментам, выбранным авторами для последующего количественного анализа параметров плазмы. Источник: Егор Паркевич
«Теоретический анализ, основанный на моделировании кинетики реакций ступенчатой диссоциации молекулярного азота и ступенчатой ионизации образующихся атомов, позволил нам выявить ключевой параметр, управляющий структурой разряда,— время филаментации. Наши расчеты показали, что время, за которое в канале достигается высокая степень диссоциации молекул азота и активно „включаются” реакции ступенчатой ионизации образующихся атомов, возрастает при снижении давления. Это объясняет качественное изменение сценария: при высоком давлении процессы плазмообразования и контракции успевают за наносекунды сформировать узкие высокоионизованные микроканалы, а при низком — „не успевают”, и в итоге организуется либо однородный канал, либо доминирует локализация плазмы у катода. Однако сам механизм, запускающий распад фронта волны ионизации на множество микроканалов при высоком давлении, остается открытой и очень интересной проблемой»,— уточнил Николай Попов, ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ.
Исследование важно для задач, связанных с длинными искровыми разрядами, где нужно знать, как масштабируется их склонность к филаментации при изменении условий и почему микроструктура может возникать или исчезать при, казалось бы, небольшом изменении параметров.
Авторы также отмечают прикладной интерес к режимам разряда при давлениях около 100–200 торр: взрывная катодная плазма, насыщенная парами металла, может стать эффективным источником для синтеза наночастиц. Это связано с тем, что при низком давлении большая часть вложенной в разряд энергии концентрируется именно вблизи катода, а не рассеивается во всем межэлектродном промежутке.
Перспективы, которые открывает это исследование, во многом задаются найденными пороговыми явлениями. Ученым предстоит выяснить, насколько универсален переход к филаментированной микроструктуре при давлениях около 300–400 торр для других газов, геометрий электродов и длительностей высоковольтного импульса, и можно ли управлять этим порогом, контролируя предварительную ионизацию среды или ток в разряде.
Как прямо указывают авторы, остается ряд фундаментальных вопросов. Во-первых, структура плазмы в прикатодной области на субнаносекундных временах все еще изучена недостаточно: будущие эксперименты должны прояснить, как именно на масштабе единиц микрометров запускается взрывная генерация высокоионизованной плазмы с электродов.
И, наконец, ключевой задачей является создание теоретической модели, которая объяснит, почему при высоком давлении фронт ионизационной волны распадается на микроканалы, а при чуть более низком предпочитает оставаться однородным. Только ли временной фактор (характерное время контракции разрядного канала) играет здесь ключевую роль или есть и другие физические эффекты, влияющие на пороговый характер формирования исследуемых плазменных микроструктур.
Научная статья: E. V. Parkevich, A. I. Khirianova, K. V. Shpakov, T. F. Khirianov, N. A. Popov, Threshold effects in the development of highly ionized plasma channels in a pulsed nanosecond discharge in air at pressures of 100–760 Torr, Physical Review E, Volume 112, 2025, 065211. DOI: https://doi.org/10.1103/bq1x-2p4t.