Учёные из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, МФТИ и МГУ впервые зафиксировали резкую границу перехода между двумя механизмами рождения плазмы в электрическом разряде. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

В экспериментах использовали медный катод толщиной 100 микрометров и расстояние между электродами около 2 мм. Процесс снимали с помощью пикосекундной лазерной визуализации — 18 кадров за импульс с разрешением в наносекунды. Это позволило в деталях увидеть, что происходит у поверхности катода в первые мгновения после пробоя.

При давлении выше 100 мм ртутного столба разряд идёт по «взрывному» сценарию: микроскопические неровности на катоде испаряются под действием поля, образуя облако металлической плазмы. Плотность электронов в нём в 10 раз выше, чем можно получить при полной ионизации воздуха. Весь процесс занимает меньше наносекунды.

Если давление опускается ниже порога, взрывной механизм исчезает — разряд поддерживается только за счёт ионизации газа. Как пояснили исследователи, это связано с ослаблением локального поля у поверхности катода из-за расширения катодного слоя.

Открытие позволяет управлять процессами плазмообразования в импульсной энергетике и при синтезе металлических наночастиц. В зависимости от давления можно либо усиливать разрушение катода и получать больше наночастиц, либо минимизировать износ электродов, повышая надёжность высоковольтных устройств. В планах учёных — изучение свойств образующихся наночастиц и масштабирование эффекта на многоострийные системы.