Electron detachment instability and self-organization in strongly electronegative polyatomic gases

Abstract

This paper reports on an investigation of the ionization instability and related phenomena in a self-sustained volume discharge (SSVD) in SF6-based mixtures pre-irradiated by a pulsed CO2 laser. The illumination geometry with a diaphragm slit arranged normal to the central electric field line of the discharge gap is considered. The delay times between the laser and voltage applications were varied from a few to several tens of microseconds. The formation and some special features of quasi-periodic filamentary structures in laser-heated SF6-based mixtures at different delays are studied. It is hypothesized that the self-organization observed is caused by the ionization instability developed in the SSVD plasma due to an imbalance between the rates of electron detachment by electron impact and electron–ion recombination. The mathematics of this instability in a zero-dimensional approximation and the characteristic time of its development are given. An imbalance-caused mechanism of conducting channel propagation in SF6-based mixtures at room temperature under the conditions approaching those of the HF laser performance is suggested. It starts from an appreciable decrease in electron–ion recombination rate in an enhanced electric field in the vicinity of the channel tip. The effect of a two-step ionization is assessed.

On the temperature dependence of the critical reduced electric field in SF6and mixtures of SF6with C2H6

“…To our knowledge there have been only few papers [1][2][3][4][5] dealing with this problem. In [1], it is stated that the onset potential at constant gas density and, hence, the magnitude of (E/N ) cr in atmospheric pressure SF 6 do not depend on the gas temperature within the range of 300-800 K. However, no experimental and/or theoretical evidence in favour of this conclusion are presented. In contrast to [1], the experiments of [2] on the passage of electrons in a uniform electric field through SF 6 heated to temperatures of up to 600 K (no direct measurements of the onset voltage were carried out in [2]) manifest noticeable growth in the critical reduced fields in SF 6 with raising gas temperature.…”

“…A self-sustained volume discharge (SSVD) in strongly electronegative gases vibrationally excited by a pulse CO 2laser [6][7][8] offers unique opportunities for advanced studies on the temperature dependence of the (E/N) cr values in SF 6 and SF 6 -based mixtures.…”

Самоорганизация Газоразрядной Плазмы В SF-=SUB=-6-=/SUB=- И Смесях На Его Основе

“…Особенностью SF 6 , а также ряда других сильно электроотрицательных газов и смесей на их основе является возможность реализации в этих средах объемного разряда в форме самоинициирующегося объемного разряда (СИОР) [5], что позволяет при средних давлениях получать значительные объемы газоразрядной плазмы без использования специальных устройств предыонизации [1,6]. Ряд исследований указывает на то, что при зажигании наносекундного разряда в газовых смесях на основе SF 6 наблюдается возникновение упорядоченных плазменных структур [7,8]. Целью настоящей работы является исследование возможности применения методов синергетики и неравновесной термодинамики [9][10][11] для анализа закономерностей формирования СИОР в сильно электроотрицательных газах.…”

“…Результаты экспериментов [5,12] указывают на то, что КП и привязанные к ним каналы возникают за наносекундные времена (< 20 ns); увеличение объема, занимаемого плазмой разряда, происходит дискретно, посредством образования новых ДС. Поперечный размер ДС уменьшается с ростом давления смеси [12], а повышение температуры газа T g приводит к дополнительной филаментации разряда и формированию новых ДС в области нагрева [8]. Подсветка РП и катода УФ-излучением от внешнего источника при длительности разрядного импульса T dis > 150 ns не влияет на устойчивость СИОР и число образующихся ДС N s , которое удовлетворяет следующему соотношению [5]:…”

“…Однако поскольку общий ток должен сохраниться (он задан электрической схемой накачки), увеличение плотности тока в канале будет сопровождаться соответствующим уменьшением площади поперечного сечения ДС. Именно это и наблюдается в экспериментах [8]. Так, в области нагретого газа появляются новые ДС.…”