Томские физики-теоретики объяснили механизм электрического пробоя в вакууме

Научные сотрудники Института сильноточной электроники СО РАН объяснили электродинамический механизм ускорения ионов в начальной стадии вакуумного пробоя. Разработанная теория позволяет не только упорядочить полученные ранее экспериментальные данные, но и решить проблему вакуумной изоляции космических аппаратов и промышленной сильноточной электроники. Исследование проведено при поддержке РНФ (проект № 23-29-00239).

– Изучение электрического разряда является одной из ключевых задач в сильноточной электронике, электронике больших мощностей, физике источников частиц. Первой стадией электрического разряда является явление пробоя – нарушение электрической изоляции, в частности, вакуумной. За последние десятилетия в мировой практике вакуумного разряда накоплен огромный массив связанных с ним экспериментальных данных, однако до сих пор не существовало единого объяснения того, как же именно происходит пробой, почему ионы летят к аноду, ведь они имеют положительный заряд и поэтому не должны лететь в сторону увеличения электрического потенциала, – говорит руководитель проекта, ведущий научный сотрудник лаборатории теоретической физики, доктор физико-математических наук Василий Кожевников.

Как объясняет Василий Юрьевич, катодная плазма, образующаяся за счет взрыва микроскопических неровностей катода или лазерного инициирования, расширяется с огромными скоростями, при этом аномальный характер носит само ускорение ионов. До недавнего времени это явление связывалось с формированием фазовых переходов, локализованных в областях электромагнитных и гидродинамических разрывов, или с опосредованным влиянием на ионы различной зарядности электрон-ионных и ион-ионных упругих рассеивающих столкновений.

В ходе работы над проектом с помощью методов математического моделирования томские ученые смогли доказать, что на аномальное ускорение ионов на начальной стадии вакуумного пробоя главным образом влияют электрические поля, а другие факторы второстепенны и существенного влияния на этот процесс не оказывают. Результатом нескольких лет работы физиков-теоретиков стало создание замкнутой согласованной кинетической теории, объясняющей природу разлета многокомпонентной плазмы в вакуумном разряде.

– Представим себе, что в большом зале собрались родители с детьми в возрасте 5-10 лет, которым после концерта необходимо выйти наружу. При этом дети сломя голову несутся к выходу (это как легкие электроны в плазме), их родители – как тяжелые ионы – вынуждены ускориться, чтобы успеть последовать за ними. Так и в плазме, влияние электрического поля заставляет ионы ускоряться вслед за более быстрыми электронами, – объясняет суть явления заведующий лабораторией теоретической физики ИСЭ СО РАН профессор Андрей Владимирович Козырев.

Как установили расчеты, движение ионов к аноду связано еще и с формированием области пониженного потенциала − так называемого виртуального катода, благодаря которому ионы ускоряются к аноду в зазоре между физическим и виртуальным катодами. Заполнение этого пространства ионами приводит к перемещению виртуального катода к аноду, тем самым способствуя дальнейшему продолжению процесса аномального ускорения ионов. Благодаря полученным в ИСЭ СО РАН результатам, появилась возможность рассчитывать скорости всех этих процессов без применения высокопроизводительной вычислительной техники (суперкомпьютеров).

Важное прикладное значение созданной теории заключается в том, что она поможет разработке эффективных предохранителей для космических аппаратов и промышленной сильноточной электроники, способных своевременно защитить дорогостоящее оборудование от разрушающего действия вакуумного пробоя.