В первые моменты после электрического пробоя, когда в микроскопической области у катода рождается плотная плазма, решается судьба всего разряда — но до сих пор оставалось неясным, из какого источника возникает эта плазма: из ионизированного газа или из вещества самого электрода. Физики из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН, МФТИ и МГУ впервые установили точный порог, разделяющий два механизма. Оказалось, что при давлении выше 100 миллиметров ртутного столба плазма рождается взрывным испарением микроучастков медного катода, а если давление ниже — разряд идёт только за счёт ионизации воздуха. Как пишут авторы в журнале Applied Physics Letters, порог оказался резким и воспроизводимым, что открывает новый способ управления плазменными процессами — от синтеза наночастиц до повышения надёжности высоковольтных коммутаторов. «Снижение давления всего на несколько десятков миллиметров относительно 100 мм рт. ст. приводит к исчезновению взрывного выброса металла», — отмечают исследователи.
Электрическая искра, несмотря на многовековую историю изучения, продолжает хранить тайны на наносекундных масштабах. Именно в первые мгновения после пробоя, когда у катода формируется плотная плазма, закладывается характер всего разряда. Чтобы увидеть этот процесс, учёные использовали пикосекундную лазерную визуализацию, позволяющую делать до 18 снимков за один импульс с временным разрешением около наносекунды и пространственным — 2–3 микрометра. Разряд проходил между электродами с зазором около 2 мм, причём катодом служила медная проволока диаметром всего 100 микрометров — тоньше человеческого волоса.
Ключевым результатом стало обнаружение резкого порога по давлению газа. При давлении от 100 мм рт. ст. и выше (вплоть до атмосферного) плазма рождается по «взрывному» сценарию. Микроскопические неровности на поверхности катода взрывообразно испаряются под действием сверхсильного электрического поля за время менее одной наносекунды. В результате образуется облако металлической плазмы, в котором плотность электронов в десять раз выше, чем при полной ионизации воздуха.
Если же давление опускается ниже 100 мм рт. ст., взрывного испарения катода не происходит. Разряд развивается исключительно за счёт объёмной ионизации газа, а плотная металлическая плазма не формируется. Причина — в изменении структуры катодного слоя: при пониженных давлениях он расширяется, ослабляя локальное электрическое поле на поверхности электрода. Таким образом, переход отражает конкуренцию двух источников — вещества катода и окружающего газа.
Открытие имеет практическое значение. Управляя давлением и режимом разряда, можно либо целенаправленно влиять на состав и размер наночастиц, образующихся в плазменных генераторах, либо минимизировать эрозию электродов в высоковольтных коммутаторах, повышая их ресурс. В дальнейшем авторы планируют исследовать свойства металлических наночастиц после разряда и масштабировать эффект на многоострийные катодные системы. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.
