Sub-nanosecond time resolved light emission study for diffuse discharges in air under steep high voltage pulses

Abstract

Pintoplane discharges in centimetre air gaps and standard conditions of pressure and temperature are generated under very high positive nanosecond scale voltage pulses. The experimental study is based on recordings of subnanosecond time resolved and Abel processed light emission profiles and their complete correlation to electrical current waveforms. The effects of the voltage pulse features (amplitude between 20 and 90 kV, rise time between 2 and 5.2 ns, and time rate between 4 and 40 kV • ns −1 ) and the electrode configuration (gap distance between 10 and 30 mm, pin radius between 10 and 200 µm, copper, molybdenum or tungsten pin material) are described. A three time period development can be found: a glowlike structure with monotonic light profiles during the first 1.5 ns whose size depends on time voltage rate, a shelllike structure with bimodal profiles whose duration and extension in space depends on rise time, and either diffuse or multichannel regime for the connection to the cathode plane according to gap distance. The transition of the light from monotonic to bimodal patterns reveals the relative effects and dynamics of streamer space charge and external laplacian field. A classical 2Dfluid model for streamer propagation has been used and adapted for very high and steep voltage pulses. It shows the formation of a strong space charge (streamer) very close to the pin, but also a continuity of emission between the pin and the streamer, and electric fields higher than the critical ionization field (28 kV • cm −1 in air) almost in the whole gap and very early in the discharge propagation.

Стримеры При Субнаносекундном Пробое Аргона И Азота В Неоднородном Электрическом Поле При Обеих Полярностях

“…В азоте при тех же давлениях и обеих полярностях наблюдалась аналогичная динамика формирования разряда. Подобная форма стримера также наблюдалась в экспериментах, описанных в работах [3,11,24]. Моделирование стримера [26,29] во времени интенсивности излучения в различных зонах промежутка.…”

“…В ряде работ были проведены исследования динамики свечения плазмы в промежутке [3,6,8,10,11,13,17,21,24]. Так, в работе [3] было показано, что в воздухе атмосферного давления при положительной полярности импульсов напряжения (U = 43 kV, τ 0.5 = 12 ns, τ 0.1−0.9 = 2−3 ns), подаваемых на острийный электрод, свечение плазмы возникает вблизи острийного электрода и имеет форму, близкую к шару.…”

“…При увеличении давления до 200 kPa и более разряд формировался в виде отдельных диффузных каналов малого диаметра, которые авторы работы [3] называли филаментами. В работе [24] исследования проводились при амплитуде импульса напряжения до 74 kV и с большим временным разрешением. На начальной стадии разряда при атмосферном давлении также наблюдалась шарообразная форма плазмы вблизи острийного электрода.…”

“…Из моделирования в настоящей работе следовало, что вблизи острийного электрода формируется стример, на фронте которого напряженность электрического поля превышает пороговое значение (28 kV/cm) для пробоя воздуха атмосферного давления. Однако ни пучок убегающих электронов, ни рентгеновское излучение в работах [2,24] не регистрировались.…”

Subnanosecond high‐voltage breakdown initiated in high‐pressure nitrogen by a runaway electron beam

“…Recently, increasing interest has been shown in gas breakdowns of duration ∼1 ns and less [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17]. The breakdown can initiate both diffuse and spark discharges [17] in which the falltime of the voltage pulse and the residual voltage depend on many factors.…”