в рамках гранта Минобрнауки (Соглашение № 075-15-2021-1026 от 15.11.2022 г.) в области науки в форме субсидий из федерального бюджета на обеспечение проведения научных исследований российскими научными организациями и (или) образовательными организациями высшего образования совместно с организациями Китайской Народной Республики, в рамках обеспечения реализации программы двух- и многостороннего научно-технологического взаимодействия.

Аннотация

Данный научно-исследовательский проект объединяет российские и китайские группы ученых и специалистов. Объектом для изучения выступает импульсный и импульсно-периодический высоковольтный разряд (диффузный разряд), формируемый за счёт генерации убегающих электронов и рентгеновского излучения в межэлектродных газонаполенных промежутках в условиях резко неоднородного распределения напряжённости электрического поля. Особенностью данного режима диффузного разряда является его формирование за счёт широких стримеров. Проект направлен на изучение физических механизмов, ответственных за формирования данного типа разряда при различных, в том числе атмосферном, давлениях различных газов, определение свойств плазмы разряда в диффузной и искровой стадиях горения, а также изучение взаимодействия плазмы диффузного разряда с веществом. Также предполагаются исследования возможности формирования при использовании такого типа разряда плазменных струй – источников сильно неравновесной низкотемпературной (“холодной”) плазмы атмосферного давления, и особенностей их взаимодействия с поверхностями различных материалов, а также анализом и разработкой различных применений “холодной” плазмы.

Целью работ по проекту является получение новых фундаментальных знаний в области физики низкотемпературной плазмы, а именно, в направлении исследований, связанном с изучением свойств импульсных и импульсно-периодических разрядов в сильно неоднородном электрическом поле, формируемых при повышенных давлениях газовой среды при инициировании убегающими электронами, а также с практическим применением такого типа разрядов в качестве основы технических устройств и технологических процессов.

Помимо китайских коллег из Института электротехники Китайской академии наук (ИЭ КАН), при реализации проекта научной коллектив из Российской Федерации сотрудничает с научной группой из Объединенного института высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН).

Результаты Этапа 1 (2021 г.)

При выполнении научных исследований на первом этапе были получены следующие основные результаты (представлены результаты, полученные исполнителями со стороны Российской Федерации).

Впервые получены данные о формировании стримеров сферической формы с большими поперечными размерами, сопоставимыми с длиной межэлектродного зазора (широкий стример), при подаче на разрядный промежуток высоковольтных импульсов напряжения с длительностью фронта ≈120 нс. Образование широких стримеров мы объясняем интенсивной и эффективной предыонизацией промежутка убегающими электронами, получающих ускорение в области близкой к катоду с малым радиусом кривизны в момент начала протекания там процессов ионизации до начала формирования стримера. В воздухе атмосферного давления при стримерном механизме развития пробоя промежутка за счёт генерации убегающих электронов и инициируемого такими высокоэнергетичными электронами рентгеновского излучения формировался диффузный разряд. В аналогичных условиях в аргоне также формируется диффузный разряд, но морфология разрядной зоны отлична от случая азота – разряд состоит из нескольких диффузных струй, которые за относительно короткое время трансформируются в искровые лидеры и каналы (Рисунок 1).

Рисунок 1. (а) Последовательность изображений с ICCD камеры, визуализирующий процесс формирования разряда в аргоне при давлении 100 кПа. (б) Соответствующие изображениям на рисунке (а) осциллограммы напряжения 1 и тока разряда 2. Прямоугольниками (K1, K2, K3 и K4) показаны моменты включения каналов ICCD камеры и соответствующая длительность экспозиции. Потенциальный катод с малым радиусом кривизны (игла) показан сверху на изображениях с ICCD камеры, а плоский заземленный анод – снизу.

Получены данные о характеристиках разряда в чистом гелии при различных давлениях и условиях генерации одно- и двухкомпонентных пучков убегающих электронов (Рисунок 2).

Проведены теоретические исследования и расчеты динамики разрядов в атмосферном воздухе, формируемых в промежутках с сильно неоднородным распределением напряженности электрического поля, питаемых импульсами напряжения с крутыми (субнаносекундными) фронтами и высокими амплитудными значениями, которые многократно превышают напряжение пробоя промежутка. Результаты моделирования показывают, что, что в таких условиях формируются стримеры с сантиметровыми радиусами и скоростями порядка 10¹⁰ см/с. Характеристики стримеров могут различаться в зависимости от полярности напряжения, приложенного к электроду с малым радиусом кривизны. Заметное влияние на динамику стримеров, приводящее к различию параметров положительных и отрицательных стримеров, может оказывать формирование, при отрицательной полярности острийного электрода, инициируемого эмиссией с катода потока убегающих электронов, предионизующего газ перед фронтом распространяющегося в сторону заземленного анода стримера. Результаты модельного расчета показывают, что учет предионизации убегающими электронами приводит к увеличению скорости и радиуса отрицательного стримера, а также тенденцию к зажиганию разряда в диффузной форме, в отличие от случая, когда убегающие электроны не учитываются и разряд стягивается в сильноточный «горячий» канал(ы) – искру(ы). Важно отметить, что полученные в ходе расчетов результаты в значительной степени верифицируют данные физических экспериментов.

На основе анализа лабораторных электроразрядных явлений в воздухе предложен сценарий (последовательность возникновения) развития различных разрядов в верхних слоях земной атмосферы (молний, эльфа и голубой струи), представленных на видеосъёмке с Международной космической станции. Для сравнения привлекаются экспериментальные данные по формированию диффузного, коронного и апокампического разрядов, формируемых в соответствии со стримерным механизмом (цилиндрические и сферические стримеры). Предполагается, что инициирование эльфа в условиях видеосъёмки обеспечивыается обширные разряды в облаках с последующим образованием молнии, замыкающейся на Землю в этой области под облаками. Молния при этом достигает верхнего слоя облаков, который имеет положительный заряд. А развитие голубой струи, состоящей из цилиндрических стримеров, образующих волны ионизации, в свою очередь инициируется из области плотной плазмы верхней части молнии.

В рамках реализации проекта в 2021 г. авторским коллективом была подготовлена электронная модель установки, которая будет создана на следующем этапе работ по проекту и позволит формировать плазменную струю диаметром до 1 см в результате зажигания высоковольтного наносекундного разряда в различных газах и смесях газов при повышенном давлении, в том числе атмосферном. Кроме того, на данной экспериментальной установке предполагается проведение серии работ, направленных на изучение свойств различных материалов, подвергшихся воздействию «холодной» плазмы высоковольтного наносекундного разряда в плотной газовой среде, формирующегося при инициировании убегающими электронами.

Полученные в ходе выполнения первого этапа проекта результаты были опубликованы в следующих научных статьях:

[1]. Dmitry Beloplotov, Dmitry Sorokin and Victor Tarasenko. High-Voltage Nanosecond Discharge as a Means of Fast Energy Switching // Energies. – 2021. – Vol. 14. – Art. no. 8449 (DOI: 10.3390/en14248449 )

[2]. Тарасенко В.Ф. Анализ динамики атмосферных разрядов с помощью данных о стримерах цилиндрической и сферической формы. // Оптика атмосферы и океана. – 2021. – Т. 34. – № 12. – С. 982–985. (DOI: 10.15372/AOO20211209) Журнал «Оптика атмосферы и океана»
переводная версия
V.F. Tarasenko, D.V. Beloplotov, D.A. Sorokin. Formation and transition of wide streamer into diffuse discharge during breakdown in argon and nitrogen // Russian Physics Journal. – 2022. – Vol. 64. – Iss. 12. – P. 2375–2377. (DOI: 10.1007/s11182-022-02600-w)

Результаты Этапа 2 (2022 г.)

При выполнении научных исследований на втором этапе были получены следующие основные результаты (представлены результаты, полученные исполнителями со стороны Российской Федерации).

Проведено сравнение динамики развития положительных стримеров в промежутке «игла-плоскость» с резко неоднородным распределением напряжённости электрического поля, заполненном воздухом или азотом при различных давлениях, а также при различных значениях амплитуды импульсов напряжения положительной полярности. Показано, что при относительно низких амплитудах в азоте наблюдается ветвление положительного стримера, в то время как в воздухе формируется единый стример большого диаметра. При высоких напряжениях или при низких давлениях стример большого диаметра формируется как в воздухе, так и в азоте. Это означает, что имеются процессы, обеспечивающие достаточную концентрацию вторичных электронов перед фронтом положительного стримера, обеспечивающие стабильную границу фронта ионизации в условиях высокой приведённой напряжённости электрического поля. Предполагается, что на короткой стадии размножения электронных лавин часть электронов может переходить в режим убегания в окрестности острийного электрода (анода), где напряжённость электрического поля достигает величин ~10⁶ В/см. Резко неоднородное распределение потенциала позволяет электронам набирать высокую энергию (~10²—10³ эВ и выше при более высоких напряжениях), проходя расстояние ~1—10 мкм к аноду и, тормозясь на нем, генерировать тормозное рентгеновское излучение.

Исследована динамика развития отрицательных стримеров в том же самом разрядном промежутке «игла-плоскость» при различных значениях амплитуды импульсов напряжения отрицательной полярности, прикладываемых к нему (Рисунок 3).

Рисунок 3. Развитие отрицательных стримеров в азоте при разном давлении и максимальном напряжении на промежутке. (а–в) ICCD-изображения развития стримеров; (г–е) стрик-изображения излучения плазмы разряда вдоль оси промежутка; (ж–и) осциллограммы напряжения при разряде в промежутке и в режиме холостого хода; (к–м) осциллограммы тока смещения (1) и зависимость напряженности электрического поля от времени вблизи заземленного электрода (2), зарегистрированные при разряде в промежутке и в режиме холостого хода. Прямоугольники К1–К3 показывают промежуток времени работы каналов ICCD камеры, а их ширина соответствует экспозиции каждого из каналов. РС – фаза развития стримера. 1^ая ВИ – первая волна ионизации (стример), ОВИ – обратная волна ионизации.

Показано, что в промежутке такой геометрии при отрицательной полярности стримеры большого диаметра развиваются как при низких напряжениях, так и при повышенном давлении воздуха, азота и гелия. Мы считаем, что пучок убегающих электронов (УЭ) короткой длительности, сгенерированный в окрестностях острийного электрода (катода) на старте процессов ионизации (стадия размножения электронных лавин) обеспечивает в промежутке достаточный уровень предварительной ионизации, обеспечивая сохранение «сплошности» фронта ионизации на протяжении всей стадии пробоя. В этом случае имеется интересная особенность: переход от стримерного пробоя к квазиобъёмной ионизации газа происходит как в воздухе, так и в азоте. Такой переход возможен из-за действия различных факторов. Основные из них: большой диаметр стримера и предварительная ионизация газа потоком УЭ. Первый фактор обеспечивает однородность распределения электрического поля в объеме между фронтом плазмы и заземленным электродом. Второй фактор способствует созданию вторичных электронов в этом объёме. Полученные результаты свидетельствуют о фундаментальной роли УЭ в формировании разрядов. Следовательно, для адекватного моделирования стадии формирования наносекундных разрядов важно учитывать эффект убегания электронов. С практической точки зрения эффект квазиобъёмной ионизации газа может использоваться с точки зрения быстрой коммутации энергии, а также создания источников спонтанного ВУФ-излучения, например, на димерах инертных газов.

Исследованы эмиссионные характеристики аргоновой и водородной плазмы, реализованные с помощью импульсных источников напряжения наносекундной длительности в неоднородном электрическом поле. В чистом аргоне при длительности импульса напряжения 0,7 нс наибольшая интенсивность излучения была получена на переходах димеров Ar2* с максимумом на длине волны 126 нм. При длительности импульса напряжения 160 нс для плазмы чистого аргона были измерены электронная плотность и температура возбуждения. Экспериментальные результаты показывают, что повышение напряженности электрического поля способствует увеличению как плотности электронов, так и температуры возбуждения.

Показано, что при низких давлениях атмосферного воздуха возможно формировать две волны ионизации, распространяющиеся в противоположных направлениях от области инициирующей плазмы (Рисунок 4).

Рисунок 4. Фотографии свечения плазмы разряда в трубке при давлениях воздуха 0,4 (а), 1 (б) и 1,5 Торр (в). 1 – свечение возле капролонового фланца на конце трубы; 2 – волны ионизации (стримеры); 3, 4 – заземленный и высоковольтный кольцевой электрод. U₀ = +7 кВ; без дополнительного электрода; t_эксп = 0,2 с; диафрагма 5,6.

Установлено, что скорость движения фронта волн ионизации (стримеров), соответствуют средней скорости распространения красных спрайтов, возникающих в верхней атмосфере Земли. Показано, что в данных условиях формирования волн ионизации при давлениях 0,4—3 Торр их цвет определяется излучением первой положительной системы молекулярного азота и соответствует цвету излучению красных спрайтов. При этом, спектральные плотности энергии излучения линий второй положительной системы азота, а в области высокого электрического поля между кольцевыми электродами и первой отрицательной, на порядок и более превышают спектральную плотность энергии излучения первой положительной системы.

Проведено сравнение форм, диаметров и скоростей обычных (формируемых за счёт фотоионизации) стримеров в воздухе и гелии и стримеров, рассчитанных с учетом предыонизации быстрыми электронами. Показано, что обычный стример в воздухе имеет цилиндрическую форму, а обычный стример в гелии – коническую форму. При учете дополнительного источника предыонизации в виде быстрых электронов в воздухе образовывались стримеры сферической формы, а в гелии стример по форме напоминал тыкву. Скорости стримеров, как и в эксперименте, существенно изменяются по мере движения стримеров вдоль разрядного промежутка, увеличиваясь вблизи плоского анода. Установлено, что скорости обычных стримеров в воздухе и гелии достигали вблизи анода величины 5·10⁹ см/с, а рассчитанных с учетом быстрых электронов – 5·10¹⁰ см/с.

Экспериментально показано, что генерация заметного числа убегающих электронов и развитие стримера с электрода, имеющего малый радиус кривизны, начинаются практически одновременно. Установлено, что вначале стример, формируемый с одиночного острия, имеет сферическую форму, а затем вытягивается и принимает форму цилиндра. При использовании электродов, имеющих протяжённую кромку с малым радиусом кривизны (например, трубка), вблизи них формируется несколько параллельных стримеров цилиндрической формы.

Установлено, что интенсивное воздействие наносекундными импульсами высокого напряжения, следующими с высокой частотой повторения, является эффективным подходом к увеличению плотности активных частиц в нетепловой плазме, когда требуется быстрый отклик. Как отрицательные, так и положительные волны ионизации распространяются через области ранее накопленных и еще не диссипировавших объемных зарядов. Рассчитаны примеры, демонстрирующие характер взаимодействия плазменных струй гелия с искривленными поверхностями.

Созданы две установки для обработки поверхностей материалов плазмой диффузного разряда при атмосферном давлении воздуха и других газов. Установка №1 предполагается для воздействия на поверхности малого размера и формирования «холодной» плазменной струи диаметром до 1 см. Установка №2 обеспечивает длину обрабатываемой диффузной плазмой поверхности до 30 см.

Проведено исследование состояния поверхности плоского заземленного электрода при однократном воздействии на него плазмой импульсного высоковольтного разряда наносекундной длительности при различных режимах воздействия. Установлено, что за счет увеличения межэлектродного расстояния до 8—10 мм удается снизить интенсивность воздействия и реализовать режим однородной обработки поверхности материала в отдельном импульсе. При межэлектродном расстоянии 4 мм и менее наблюдался искровой разряд, приводящий к формированию на поверхности заземленного электрода эрозионной структуры.

Полученные в ходе выполнения второго этапа проекта результаты были опубликованы в следующих научных статьях:

[1]. H. Bangdou, C. Zhang, H. Sun, D.A. Sorokin, V.F. Tarasenko, and T. Shao. Enhancement of hydrogen radical density in atmospheric pressure plasma jet by a burst of nanosecond pulses at 1 MHz // Plasma Sources Science and Technology. – 2022. – Vol. 31. – Iss. 2. – Art. no. 025019. (DOI: 10.1088/1361-6595/ac3e3e )

[2]. B. Feng, A.N. Panchenko, C. Zhang, V.F. Tarasenko, C. Zhang, D.A. Sorokin, V.V. Kozhevnikov, T. Shao. Emission spectra of argon and hydrogen excited by pulses with durations of 0,7 and 160 ns in an inhomogeneous electric field // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2022. – Vol. 55. – Iss. 40. – Art. no. 405202. (DOI: 10.1088/1361-6463/ac83d1 Emission spectra of argon and hydrogen excited by pulses with durations of 0.7 and 160 ns in an inhomogeneous electric field - IOPscience)

[3]. N.Yu. Babaeva, G.V. Naidis, D.V. Tereshonok, V.F. Tarasenko, D.V. Beloplotov, and D.A. Sorokin. Formation of wide streamers in air and helium: the role of fast electrons // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2022. – Vol. 56. – Art. no. 035205. (DOI: 10.1088/1361-6463/aca776 )

[4]. Тарасенко В.Ф., Бакшт Е.Х., Виноградов Н.П. Моделирование красных спрайтов с помощью ёмкостного разряда // Прикладная физика. – 2022. – № 4. – С. 11–17. (DOI: 10.51368/1996-0948-2022-4-11-17) 04, 10 (orion-ir.ru)
переводная версия
V.F. Tarasenko, E.Kh. Baksht, and N.P. Vinogradov. Modeling red sprites with capacitive discharge // Applied Physics. – 2022. – No. 4. – P. 11.

[5]. Бакшт Е.Х., Виноградов Н.П., Тарасенко В.Ф. Формирование стримеров в неоднородном электрическом поле при низких давлениях воздуха. // Оптика атмосферы и океана. – 2022. – Т. 35. – № 9. – С. 777–781. (DOI: 10.15372/AOO20220911 )
переводная версия
E.Kh. Baksht, N.P. Vinogradov, and V.F. Tarasenko. Generation of streamers in an inhomogeneous electric field under low air pressure // Atmospheric and Oceanic Optics. – 2023. – Vol. 36. – No. 1. – P. 169–174. (DOI: 10.1134/S1024856023010025 )

[6]. Тарасенко В.Ф., Ломаев М.И. Однородное воздействие плазмы импульсного высоковольтного разряда наносекундной длительности на поверхность плоского анода // Прикладная физика. – 2022. – № 5. – С. 5–10. (DOI: 10.51368/1996-0948-2022-5-5-10) Microsoft Word - 01-Ломаев.docx (orion-ir.ru)
переводная версия
V.F. Tarasenko, M.I. Lomaev. Homogeneous action of plasma of a nanosecond pulsed high-voltage discharge on the surface of a flat anode // Applied Physics. – 2022. – No. 5. – P. 9.

Также, по результатам реализации проекта на данном этапе были поданы две заявки на изобретение.

Результаты Этапа 3 (2023 г.)

При выполнении научных исследований на третьем этапе были получены следующие основные результаты (представлены результаты, полученные исполнителями со стороны Российской Федерации).

Установлен момент времени появления частиц электродного материала в промежутке с электродов, имеющих малый радиус кривизны, а также определены механизмы эмиссии электронов при различных режимах разряда. Схема экспериментальной установки и фотография интегрального свечения плазмы разряда в воздухе атмосферного давления при межэлектродном зазоре 4 мм (Рисунок 1).

Рисунок 1. (а) Комбинированная схема экспериментальной установки. 1 – высоковольтный генератор; 2 – высоковольтный кабель; 3 – шунт; 4 – разрядная камера; 5 и 6 – электроды с малым радиусом кривизны; 7 – плазма разряда; 8 – осциллограф; 9 – окно из кварца; 10 – фотоаппарат; 11 – ICCD камера; 12 – линия задержки; 13 – компьютер. (б) Фотография интегрального свечения плазмы разряда за один импульс. Межэлектродный зазор 4 мм. Генератор ГИН-50-1, амплитуда импульса напряжения U₀ = +15 кВ. Воздух, p = 1 атм.

Импульсы напряжения положительной полярности с амплитудой в падающей волне 15 кВ (для фотографии на Рисунке 1 от генератора ГИН-50-1) по коаксиальному кабелю подавались на вход передающей линии разрядной камеры. При этом формировался искровой разряд. Излучательные характеристики плазмы ВНР исследовались для случая двух электродов, которые изготавливались из отрезков швейных игл.

С помощью ICCD камеры было установлено момент регистрации частиц перед тем, как они начнут удаляться от электродов, оставляя за собой тонкие светящиеся треки (ТСТ). На Рисунке 2 представлены изображения свечения плазмы разряда и треков частиц при горизонтальном расположении оси разрядного промежутка.

Рисунок 2. ICCD изображения свечения плазмы в промежутке при атмосферном давлении воздуха, полученные в различные временные интервалы (5–15, 15–25, 25–35 и 35–45 мкс) относительно момента прихода импульса напряжения на промежуток. GND – заземлённый электрод; HV – высоковольтный электрод; 1 – области диффузного свечения; 2 – треки частиц.

Частицы на расстояниях от электродов, достаточных для их регистрации, появлялись за единицы микросекунд. Скорость частиц с наименьшими поперечными размерами, что следует из поперечного размера оставляемых ими треков, была больше (~ 40 мм/мс), чем у частиц с большим поперечным сечением. Из Рисунка 2 видно, что скорость частиц уменьшалась при удалении трека от электрода. Было установлено, что форма ТСТ изменяется от импульса к импульсу. Анализ формы зоны свечения разряда, фиксируемой ICCD камерой, показал, что ТСТ инициировались как с высоковольтного электрода, так и с заземлённого.

С генератором импульсов напряжения отрицательной полярности ГИН-55-01, благодаря меньшей длительности импульса напряжения (около 1 нс) и большей его амплитуде (до 37 кВ в падающей воне), формировался диффузный разряд с яркими пятнами на электродах, который не успевал прейти в искровой, и число треков частиц с обоих электродов возрастало. Результаты подробных исследований свечения в промежутке в различные моменты времени, позволили делать заключение о изменении механизма эмиссии электронов с катода.

На второй установке было продемонстрировано формирование широких стримеров при низких давлениях воздуха. В эксперименте исследовалось влияние внутреннего диаметра трубки и давления воздуха в ней на поперечный размер (диаметр) и длину формируемых плазменных диффузных струй (ПДС). На Рисунке 3 представлены фотографии свечения плазмы разряда, полученные в трубках с внутренним диаметром 5 и 14.2 см.

Рисунок 3. Интегральные фотографии свечения плазмы разряда в трубках с внутренним диаметром 5 (а) и 14.2 см (б). Давление воздуха p = 0.4 Торр. Частота следования импульсов f = 21 кГц.

Увеличение диаметра трубки не повлияло на формирование ПДС, но при одинаковых давлениях уменьшилась её длина с одновременным увеличением диаметра. Было установлено, что ПДС формируются согласно стримерного механизма и распространяются вдоль оси кварцевой трубки. При этом максимальная интенсивность излучения плазмы наблюдается на оси. Проведённые исследования показали, что диаметр ПДС в трубке большого диаметра увеличивается с уменьшением давления воздуха от 3 до 0.4 Торр. При этом, диаметр ярко светящейся области в ПДС достигает 10 см. Длина ПДС, соответственно, и стримеров в ПДС при амплитуде импульса напряжения 7 кВ и его длительности 2 мкс составила ~ 40 см.

Установлено, что из плазменного образования, созданного при низких давлениях воздуха ёмкостным разрядом в диэлектрической трубке, в противоположные стороны от внешних кольцевых электродов распространяется несколько стримеров. Стримеры стартуют во время двух пиков тока разной полярности, имеющих наибольшие амплитуды. Показано, что при положительной полярности второго пика тока формируется положительный стример, который достигает места остановки первого (отрицательного) стримера и инициирует третий стример. Диаметр третьего стримера в несколько раз меньше диаметров первых двух стримеров, а его скорость отличается на порядки и составляет всего десятки мкм/нс. Скорости первых двух стримеров в этих условиях в зависимости от давления и расстояния от электродов составляют доли-единицы мм/нс. Цвет ПДС и стримеров в их средней части при давлениях воздуха 0.2–4 Торр красный, что определяется излучением первой положительной системы молекулярного азота.

Применяя к эмиссионным спектрам ПДС методы оптической эмиссионной спектроскопии, основанные на измерении соотношения пиковых интенсивностей ионной N₂⁺ (λ = 391 нм) и молекулярной N₂ (λ = 394 нм) полос азота первой отрицательной и второй положительной систем, соответственно, были определены средние значения приведенной напряженности электрического поля E/N и температуры электронов T_e в разных зонах плазменных струй. Установлено, что значения приведенной напряженности электрического поля, следовательно, электронной температуры могут изменяться. Так, в зоне яркого свечения плазмы в при встрече двух разно полярных ПДС от E/N ≈ 250 Тд и T_e ≈ 2.5 эВ (1 Тд = 10^-17 В•см²) до E/N ≈ 365 Тд и T_e ≈ 3.65 эВ на расстоянии 7 см от потенциального электрода. Корректность измерения указанных плазменных параметров подтверждается моделированием эмиссионного спектра плазмы при помощи программного кода SPECAIR для чего дополнительно из экспериментально полученного спектрального распределения энергии излучения определялись колебательная T_v, вращательная T_r и газовая T_g температуры.

Создана компактная эксилампа с излучателем на димерах аргона с возбуждением диффузным разрядом при высоком давлении, излучение которого может быть выведено в различные газовые среды и вакуум за счет установки окна из пластины MgF₂. Стабильная работа излучателя в течение длительного времени обеспечивается прокачкой аргона через колбу со скоростью 0.5–1 л/мин, т.е. частой сменой рабочего газа в области разряда. Это позволяет улучшить охлаждение излучателя и способствует удалению из рабочего объема примесей других газов, которые нарабатываются в колбе за счет воздействия разрядной плазмы и ВУФ-излучения на стенки излучателя и выходное окно. При работе эксилампы без выходного окна в атмосфере аргона плотность мощности излучения превышала 11 мВт/см². После модернизации испытания данного излучателя также проводились при его заполнении ксеноном с отпаянной колбой. Плотность мощности излучения при f = 96 кГц и |U| = 5.8 кВ составила 45 мВт/см². Также, была создана вторая эксилампа на димерах ксенона с упрощённой конструкцией излучателя, которая имела отпаянную колбу. На выходе из плоского кварцевого окна была получена плотность мощности излучения 30 мВт/см².

На установке с острийным катодом и плоским анодом продемонстрировано, что при нанесении на анод тонкого слоя углерода до возникновения ярких локальных анодных пятен и последующего развития искрового канала, на анод воздействует лишь плазма диффузного разряда, сформированного за счёт пробоя промежутка широким стримером. Установлено, что при уменьшении межэлектродного зазора нанесение графитового слоя на анод улучшает однородность разряда, а увеличение плотности тока диффузного разряда приводит к воспламенению графитового слоя на аноде и в промежутке. Основная причина формирования, приводящая к формированию диффузного разряда в неоднородном электрическом поле – это генерация убегающих и быстрых электронов, которые осуществляют предыонизацию разрядного промежутка. Подтверждено, что использование диффузных разрядов, формируемых в неоднородном электрическом поле можно использовать для очистки поверхностей металлов от углерода и их оксидирования.

В лазере на молекулярном фторе, возбуждаемом диффузным разрядом, инициируемом убегающими электронами, получена энергия генерации до 3.5 мДж при длительности импульса излучения до 35 нс. Реализован максимальный электрический КПД генерации F₂-лазера η₀ = 0.18%, превосходящий эффективность лазеров данного типа с возбуждением поперечными объемными разрядами с дополнительной системой предыонизации.

Список опубликованных на третьем этапе реализации научных работ:

Статьи в периодических изданиях:

[1]. V.F. Tarasenko, D.V. Beloplotov, A.N. Panchenko, D.A. Sorokin. Thin luminous tracks of particles released from electrodes with a small radius of curvature in pulsed nanosecond discharges in air and argon // Surfaces. 2023. – Vol. 6. – Iss. 2. – P. 214–226. (doi: 10.3390/surfaces602001 )

[2]. Тарасенко В.Ф., Белоплотов Д.В., Ломаев М.И., Панченко А.Н., Сорокин Д.А. Тонкие светящиеся треки при наносекундном разряде в неоднородном электрическом поле // Успехи прикладной физики. – 2023. – Т. 11. – № 4. – C. 312–319. (DOI: 10.51368/2307-4469-2023-11-4-312-319) Microsoft Word - 3-Тарасенко.docx (orion-ir.ru)
переводная версия:
V.F. Tarasenko, D.V. Beloplotov, M.I. Lomaev, A.N. Panchenko, and D.A. Sorokin. Thin luminous tracks during a nanosecond discharge in a nonuniform electric field // Uspekhi Prikladnoi Fiziki (Advances in Applied Physics). – 2023. – V. 11. – No. 4. – P. 312–319. (DOI: 10.51368/2307-4469-2023-11-4-312-319 )

[3]. Dmitry Beloplotov, Victor Tarasenko, Dmitry Sorokin, Cheng Zhang, Tao Shao. Positive and negative streamers in air and nitrogen in a sharply inhomogeneous electric field under conditions of runaway electron generation // High Voltage. – 2023. – Vol. 8. – Iss. 3. – P. 527–537. (DOI: 10.1049/hve2.12289 )

[4]. B. Huang, V. Tarasenko, C. Zhang, E. Baksht, T. Shao, D. Sorokin. Optical and x-ray radiation from pulsed discharge at low-pressure air // Springer Proceedings in Physics: 4th International Symposium on Plasma and Energy Convention (ISPEC 2022 Foshan, China). – 2023. – Vol. 391 SPPHY. – P. 372–376. (DOI: 10.1007/978-981-99-1576-7_35 )

[5]. N.Yu. Babaeva, G.V. Naidis, D.V. Tereshonok, V.F. Tarasenko, Ch. Zhang, T. Shao, Backward fast electrons supported by ionization wave passing through the grid cathode // Physics of Plasmas. – 2023. – Vol. 30. – Art. no. 123902. (DOI: 10.1063/5.0165129) )

[6]. Тарасенко В.Ф., Бакшт Е.Х., Панарин В.А., Виноградов, Н.П. Стримеры, инициируемые емкостным разрядом при давлениях воздуха 0.2–6 Торр // Физика плазмы. – 2023. – Т. 49. – № 6. – С. 590–599. (DOI: 10.31857/S0367292123700245) (EDN: WYLTGE) Физика плазмы. T. 49, Номер 6, 2023 (sciencejournals.ru)
переводная версия:
V.F. Tarasenko, E.K. Baksht, V.A. Panarin, N.P. Vinogradov. Streamers initiated by a capacitive discharge at air pressure 0.2–6 Torr // Plasma Physics Reports. – 2023. – Vol. 49. – Iss. 6. – P. 786–794. (DOI: 10.1134/S1063780X23700393 ) [Scopus]

[7]. D.A. Sorokin, V.F. Tarasenko, E.K. Baksht, N.P. Vinogradov. Analogs of columnar sprites initiated in low-pressure air and nitrogen // Physics of Plasmas. – 2023. – Vol. 30. – Iss. 8. – Art. no. 083515. (DOI: 10.1063/5.0153509 )

[8]. Тарасенко В.Ф., Скакун В.С., Панаринa В.А., Сорокинa Д.А. Малогабаритная эксилампа с длиной волны 172 нм // Приборы и техника эксперимента. – 2023. – № 6. – С. 98–102. (DOI: 10.31857/S0032816223050245) Приборы и техника эксперимента. Номер 6, 2023 (sciencejournals.ru)
переводная версия:
V.F. Tarasenko, V.S. Skakun, V.A. Panarin, and D.A. Sorokin. Small excilamp with a wave length of 172 nm // Instruments and Experimental Techniques. – 2023. – Vol. 66. – No. 6. – P. 983–986. (DOI: 10.1134/S002044122305024X )

[9]. M. Lomaev, V. Tarasenko, M. Shulepov, D. Beloplotov, D. Sorokin. Nano- and microparticles of carbon as a tool for determining the uniformity of a diffuse discharge exposure // Surfaces. – 2023. – Vol. 6. – Iss. 1. – P. 40–52. (DOI: 10.3390/surfaces6010004 )

[10]. M.I. Lomaev, V.F. Tarasenko. Uniform action of plasma of a nanosecond pulsed high-voltage discharge on the surface of a flat anode // Plasma Physics Reports. – 2023. – Vol. 49. – Iss. 4. – P. 523–526. (DOI: 10.1134/S1063780X2360007X )

[11]. A.N. Panchenko, V.F. Tarasenko, V.V. Kozevnikov. VUV lasing in hydrogen and fluorine in diffuse discharges formed by runaway electrons // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. – 2023. – Vol. 50. – Iss. 1 (supplement). – P. S1–S10. (DOI: 10.3103/S1068335623130092 )

[12]. N.Yu. Babaeva, G.V. Naidis, V.F. Tarasenko, D. Sorokin, C. Zhang, T. Shao. Evolution of ionization waves in a multi-pulsed plasma jet: the role of memory charges // Plasma Science and Technology. – 2023. – Vol. 25. – Iss. 3. – Art. no. 035406. (DOI: 10.1088/2058-6272/aca18e )

Главы в монографии:

[1]. D. Beloplotov, D. Sorokin, V. Tarasenko. Chapter 10. Diffuse discharges formed in an inhomogeneous electric field due to runaway electrons. In Pulsed Discharge Plasmas (Springer Series in Plasma Science and Technology). – 2023. – Volume Part F1094. – P. 297–323. (DOI: 10.1007/978-981-99-1141-7_10 )

[2]. Natalia Yu Babaeva, George V. Naidis, Tao Shao, and Victor F. Tarasenko. Chapter 21. Atmospheric pressure plasma jets and their interaction with dielectric surfaces. In Pulsed Discharge Plasmas (Springer Series in Plasma Science and Technology) – 2023. – Volume Part F1094. – P. 583–604. (DOI: 10.1007/978-981-99-1141-7_21 )

Патенты и заявки:

[1]. Тарасенко В.Ф., Скакун В.С., Сорокин Д.А. Малогабаритный источник излучения, возбуждаемый барьерным разрядом // Патент на изобретение (заявка) RU 2 794 206 C1. Заявка № 2022104446. Приоритет: 18.02.2022. Опубликовано 12.04.2023. Бюл. № 11.

[2]. Тарасенко В.Ф., Бакшт Е.Х., Сорокин Д.А. Устройство для экспериментального моделирования разрядов красных спрайтов // Патент на изобретение (заявка) RU 2 804 701 С1. Заявка № 2022130839. ‒ Приоритет: 25.11.2022. ‒ Опубликовано 04.10.2023. ‒ Бюл. № 28.

[1]. Тарасенко В.Ф., Скакун В.С., Панарин В.А., Сорокин Д.А. Газоразрядный источник излучения с длиной волны 126 нм // Патент на изобретение. Заявка № 2023108140. Приоритет: 31.03.2023.