Учёные из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН, МФТИ и МГУ впервые поймали чёткую границу между двумя вариантами рождения плазмы в электрическом разряде. При одном давлении катод буквально выбрасывает металлическую плазму, при другом этот механизм пропадает, и разряд держится уже на ионизации газа. Статья вышла в Applied Physics Letters, а прикладной смысл тут вполне прямой: давлением можно настраивать либо синтез наночастиц, либо износ электродов.
В опыте брали медный катод толщиной 100 микрометров и зазор между электродами около 2 мм. Самое любопытное происходило в первые мгновения после пробоя. Поэтому процесс снимали пикосекундной лазерной визуализацией: 18 кадров на импульс, с временным разрешением на уровне наносекунд. И вот тут уже видно не усреднённую картинку, а то, что происходит у самой поверхности катода почти по шагам.
Порог оказался около 100 мм ртутного столба. Выше этого значения разряд идёт по взрывному сценарию: микронные неровности на катоде испаряются под действием электрического поля и дают облако металлической плазмы. По данным авторов, плотность электронов в таком облаке примерно на порядок выше, чем при полной ионизации воздуха. Сам переход занимает меньше наносекунды.
Ниже порога картина уже другая. Взрывной механизм исчезает, а разряд поддерживается только ионизацией газа. Авторы связывают это с тем, что при падении давления расширяется катодный слой: локальное поле у поверхности металла слабеет и перестаёт запускать микровзрыв.
Для практики это может оказаться очень полезной вещью. В импульсной энергетике и коммутирующей технике эрозия электродов — одна из главных причин, почему узлы быстро деградируют. Особенно это заметно в мощных разрядниках и вакуумных выключателях. А в других задачах та же эрозия, наоборот, нужна: когда надо получать металлические наночастицы или пускать плазменные потоки для нанесения покрытий. Если порог можно удерживать, режим получится выбирать не наугад, а вполне осознанно.
Есть здесь и более широкий научный фон. Катодные пятна и взрывная эмиссия изучаются давно, но обычно речь шла либо о вакуумной дуге, либо об измерениях, где всё сильно усреднено. В этом эксперименте авторы увидели момент переключения в промежуточной области давлений, где рядом существуют газовая и металлическая плазма. Для прикладной физики это полезнее красивых общих слов: можно проектировать системы, в которых материал электрода либо сохраняют, либо, наоборот, расходуют как сырьё.
Теперь команда собирается посмотреть на свойства образующихся наночастиц и перенести эффект на многоострийные системы. Это важный следующий шаг, потому что реальные высоковольтные устройства и плазменные источники редко ограничиваются одним микровыступом. Если порог сохранится и в более сложной геометрии, у разработчиков появится способ настраивать целый класс разрядных систем — от лабораторных источников наноматериалов до промышленной импульсной техники.