Ученый впервые описал различные режимы образования плазмы в атмосферных условиях

Российский ученый впервые описал механизмы образования различных форм газовых разрядов постоянного тока при атмосферном давлении. Оказалось, что, меняя условия охлаждения электродов, — элементов, между которыми протекает электрический ток, — можно контролировать свойства разрядов. Например, исследователь получил дуговые разряды, которые вблизи отрицательного катода имели форму небольшого пятна или точки, а также довольно объемные, похожие на облако. Эти данные позволят использовать плазму с определенными свойствами при синтезе высококачественных искусственных наноалмазов, которые применяются в приборах для хранения больших объемов информации. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Plasma Sources Science and Technology.

Электрический разряд — особое состояние газа, когда через него протекает электрический ток. При этом формируется ионизованная, то есть заряженная, среда, состоящая из электронов, ионов и нейтральных частиц. Такую ионизованную материю принято называть плазмой.

В зависимости от того, ток какой силы протекает через среду, различают несколько типов электрических разрядов. Так называемый темный разряд возникает при очень малых токах — до десятых долей миллиампер (мА), что примерно в десять тысяч раз меньше тока в зарядном устройстве для телефона. Тлеющий разряд, который можно наблюдать, например, при свечении неоновых ламп, существует при токах от 1 мА до 1 А. Другой тип разряда — дуговой — возникает при токах более 1 А.

Все типы разрядов и возможные переходы от одного к другому подробно изучены при давлениях на несколько порядков ниже атмосферного. При этом далеко не всегда свойства разрядов в таких условиях можно проецировать на условия обычной воздушной среды. В связи с этим около двадцати лет назад начались систематические исследования тлеющего разряда при атмосферном давлении. При этом предполагалось, что этот тип разряда может существовать в подобных условиях очень короткое время из-за быстрого нагрева электрода и перехода тлеющего разряда в более мощный дуговой.

Сотрудник Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева (Казань) математически описал переход от тлеющего разряда к дуговому в газах при атмосферном давлении. Оказалось, что этот процесс зависит от условий охлаждения электродов и их температуры. Так, в норме при протекании тока и образовании плазмы в условиях атмосферного давления окружающая среда, в частности газ, сильно нагревается — до нескольких тысяч градусов Цельсия. Это приводит к тому, что поверхности электродов также нагреваются и начинают влиять на разряд. Например, на катоде может «включиться» дополнительный механизм поддержания разряда — термоэлектронная эмиссия.

Автор работы показал, что, искусственно контролируя температуру электродов, например, охлаждая их различными способами, можно добиться различных режимов разрядов, а следовательно, и свойств плазмы. В частности, исследователь нашел условия, при которых формировался дуговой разряд, который вблизи катода имел диффузную, то есть в виде распыленного пятна, или, наоборот, сжатую до точки форму. Фактически было показано, что этими двумя режимами можно управлять. Необходимо отметить, что результаты математического моделирования были подтверждены как собственными экспериментальными измерениями, так и существующими в научной литературе данными. Таким образом, представленная модель будет надежным инструментом для прогнозирования свойств плазмы при атмосферном давлении.

«Исследование показало, что на практике можно создавать плазму со строго контролируемыми и уникальными свойствами. Она будет полезна при создании миниатюрных детекторов для анализа химического состава вещества, в задачах, связанных с обработкой поверхностей, в том числе биологических тканей. Кроме того, некоторые свойства плазмы могут быть перспективными для синтеза наноразмерных алмазов, используемых в фотонике. Сейчас мы проводим исследования с различными вариантами газовых сред, в том числе с инертными газами, содержащими примеси углеводородов. Кроме того, мы разрабатываем модели, описывающие, как влияет испарение материала электродов, в частности, графита, на характеристики плазмы», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алмаз Сайфутдинов, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева.