Введение к работе
Актуальность темы.
Потребности современных технологий стимулируют развитие различных іектроразрядньїх способов получения плотных плазменных потоков заданного шического состава в широком диапазоне параметров. К областям тктического использования источников плазменных потоков можно отнести кие, как космическая техника и плазменная технология. Такие потоки плазмы іходят применение при решении ряда задач управляемого термоядерного щтеза. Для различного рода применения можно использовать импульсные шменные источники как газоразрядного, так и электроэрозионного типов -5].
Принципиальные трудности, возникающие в газоразрядных щоступенчатых плазменных ускорителях, не позволяют реализовать іраметрьі плазмы, которые требуются для создания новых плазменных хнологий.
Для повышения параметров газоразрядной плазмы был предложен іазистационарньїй сильноточный плазменный ускоритель (КСПУ) [6 - 11] -іухступеичатая плазмодинамическая система с магнитной экранировкой шетруктивных элементов ускорительного канала, работающая в режиме шного токопереноса. Такая система позволяет генерировать плазменные )Токи с общим энергосодержанием от сотен кДж до сотен МДж, с травленной энергией частиц от сотен эВ до десятков кэВ при длительности нерации от сотен микросекунд до десятков миллисекунд. Реализация такой южной плазмодинамической системы требует знания физических процессов, ютекагощих в ее отдельных элементах, в частности, входном ионизационном юке (ВИБ). Задачей первой ступени ускорителя - входного ионизационного юка, состоящего из набора входных ионизационных камер (ВИК) является шекция ионизованных водородных плазменных потоков во вторую ступень сновной ускорительный канал). Указанным требованиям вполне может ювлетворять импульсный плазмогенератор, основой которого является шгитоплазменный компрессор, позволяющий получать плазменные потоки с .ісокой степенью ионизации и низким содержанием примесей в широком іапазоне параметров.
В электроэрозионных источниках плазмы происходит эрозия электродов изолятора, обусловленная большими тепловыми нагрузками. Величина эрозии гектродов как правило сопоставима с эрозией изолятора. Таким образом, гектродная эрозионная металлическая плазма перемешивается с
диэлектрической эрозионной плазмой, что приводит к неопределенности е химического состава.
Решение многих научных и технологических задач требует получени плазменных потоков вполне конкретного химического состава, определяемог плазмообразующим рабочим веществом, в качестве которого могу использоваться конструктивные элементы разрядного устройства (электродь: изолятор), а также газ, находящийся в вакуумной камере или подаваемый извн во время существования разряда.
Большой интерес с точки зрения как получения и исследования свойст эрозионных плазменных потоков, так и решения технологических зада1 связанных с нанесением различных покрытий, представляют эрозионны импульсные плазменные ускорители (ИПУ). С помощью ИПУ удается получат достаточно чистую плазму металлов. Однако получение плотных потоков ка газоразрядной, так и плазмы из диэлектриков без значительного содержани примесей является довольно сложной задачей.
Получение плазмы заданного химического состава в зависимости о поставленной задачи требует такого развития разряда в электроразрядно: системе, который обеспечил бы в эрозионных источниках плазмі преимущественную эрозию конструктивных элементов (электродов ил изолятора), а в газоразрядных системах - наоборот, снизил бы эрозш электродов и изолятора, а также уменьшил поступление продуктов эрозии основной плазменный поток.
Сходство в параметрах исследуемой плазмы в плазмогенераторах ка электроэрозионного, так и газоразрядного типов, позволяет применить общи; оптико-спектроскопический диагностический подход к исследованию физик рабочего процесса. Несомненным преимуществом такого подхода является ег наглядность, а также возможность определения не только качественное химического состава плазмы, но и измерение основных параметров плазмі (концентрация, температура, скорость) с пространственно-временньп разрешением без внесения возмущений в исследуемый объект.
Цель исследования.
Цель работы состоит в получении плазменных потоков заданног химического состава, определяемого веществом рабочего тела, с управляемым в широком 'диапазоне параметрами (Ne = 1016 - 1018 см"3; Те = 1-5 эВ) и прогнозируемым содержанием примесей вещества, не входящего в соста рабочего тела, для применения в сложных плазмодинамических системах, также в технологических установках.
Для выполнения поставленной цели необходимо было решить ледующие основные задачи:
Разработать магнитоплазменный компрессор компактной геометрии,
генерирующий газоразрядные плазменные потоки в широком диапазоне
параметров.
Создать устройство, позволяющее реализовать импульсный
приповерхностный разряд при атмосферном и пониженном давлении.
Разработать источники спектрально чистой плазмы из материала
диэлектриков.
Методология и методы проведенного исследования. Работа лполнялась с использованием методов высокоскоростной фотографии, ітерферометрии и спектроскопии с пространственно-временным разрешением.
Научная новизна работы.
Реализовано течение плазмы компрессионного характера в ігнитоплазменном компрессоре компактной геометрии с малым іергозапасом накопителя (~1 кДж).
Установлено влияние характера развития разряда во входной части ізрядного устройства магнитоплазменного компрессора на динамику эрмирования, состав и параметры компрессионного плазменного потока.
Обнаружены структурность переднего ускоряющегося фронта плазмы в :нале, а также смещение максимального значения электронной плотности іазмьі компрессионного потока магнитоплазменного компрессора.
Экспериментально обнаружено движение плазмы в заанодную область, (условленное особенностями замыкания выносных токов, и осаждение юдуктов эрозии катода на поверхности анодных стержней с внешней стороны ізрядного устройства магнитоплазменного компрессора, свидетельствующее о кхопереносе материала внутреннего электрода на наружную сторону іешнего электрода.
Установлено простое условие выбора оптимальных режимов работы ігнитоплазменного компрессора компактной геометрии с максимальным щводом мощности в разрядное устройство и относительно высокими іраметрами плазменных потоков (плотность и температура заряженных істиц, скорость плазменных потоков) при минимальном количестве примесей ітериала электродов, основанное на определении зависимости пиковых :ачений разрядного тока от массового расхода рабочего газа.
6. Предложено разрядное устройство, позволившее впервые реализовать импульсный приповерхностный разряд при атмосферном и пониженном давлении.
7. Обнаружено пространственное растекание канала импульсного
приповерхностного разряда при атмосферном давлении и одновременное
существование двух каналов разряда при пониженном давлении.
8. На основании исследований импульсного приповерхностного разряда при
пониженном давлении разработаны устройства электроразрядной эрозионной
плазмы различных конфигураций с плотностью электронов, достигающей 1018
см"3, и температурой электронов - 2-3 эВ обеспечивающие низкое содержание
примесей материала электродов.
Научная и практическая значимость полученных результатов.
-
Полученные результаты позволили оптимизировать магнитоплазменный компрессор компактной геометрии, который нашел применение в двухступенчатой системе КСПУ с полуактивным катодным трансформером в качестве активных элементов (входных ионизационных камер) для создания и предварительного ускорения плазмы.
-
Предложенные электроразрядные эрозионные источники плазмы из диэлектрика с низким (прогнозируемым) количеством примесей материала электродов могут найти применение в оптотехнике и микроэлектронике для нанесения тонких пленок и покрытий из материала диэлектрика.
Основные положения диссертации, выносимые на зашиту.
-
Разработанный магнитоплазменный компрессор компактной геометрии обеспечивает простое управление основными параметрами компрессионных газоразрядных плазменных потоков с низким содержанием примесей в широком диапазоне разрядных токов (20 - 100 кА), что позволяет использовать его в качестве входных ионизационных камер в сложных плазмодинамических системах.
-
Потоки плазмы, генерируемые разработанным магнитоплазменный компрессором, при определенных (6-8 г/с) расходах рабочего газа обладают минимальным количеством примесей и достигают максимальных скоростей течения.
-
Характер развития разряда в источниках эрозионной плазмы различной конфигурации разрядных устройств оказывает определяющее влияние на состав эрозионных плазменных потоков и их основные параметры - плотность и температура заряженных частиц.
Связь работы с крупными научными программами.
Диссертационная работа выполнялась в Институте физики АН БССР, а тем в Институте молекулярной и атомной физики НЛН Беларуси в рамках ;есоюзных программ по реализации проекта КСГГУ в соответствии с:
постановлением Президиума АН СССР, ГКАЭ и Минвуза СССР №164 от 1.11.82г.;
постановлением ГКНТ СССР №396 от 26.07.83г.;
постановлением Президиума АН СССР, ГКАЭ и Минвуза СССР № ГУ .6 от 26.11.87г., а также в рамках республиканских программ "Плазма 2.22", [лазма 3.07", "Плазмодинамика 09", по хоздоговорам с ИАЭ им. И.В. /рчатова № 626 от 3.02.84г., № 724 от 11.04.86г., № 824 от 1.04.88г., № 902 от 03.90г.
Апробация результатов работы.
Изложенные в диссертации результаты докладывались и обсуждались на [ и VII Всесоюзных конференциях по плазменным ускорителям и ионным іжекторам (Днепропетровск, 1986; Харьков, 1989), на XII и XIV Всесоюзных нференциях по высокоскоростной фотографии и метрологии істропротекающих процессов (Москва, 1987, 1989), на VI Всесоюзной нференции по динамике излучающего газа (Москва, 1987), на научно-хнической конференции "Вакуумные покрьпия - 88" (Минск, 1988), на еждународной конференции по интерферометрии (Варшава, 1989), на :есоюзном семинаре по атомной спектроскопии (Москва, 1990), на VII :есоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 91), на конференции по физике и технике плазмы (Минск, 1994), на нференции по физике плазмы и плазменным технологиям (Минск, 1997), на II ;есоюзном симпозиуме по радиационной плазмодинамике (Москва, 1991), на и IV межгосударственных симпозиумах по радиационной плазмодинамике Іосква, 1994, 1997), на XVI, XVII, XIX Международных конференциях по лениям в ионизованных газах (Дюссельдорф, 1983; Будапешт, 1985; Белград, 89).
Личный вклад автора.
Основные результаты диссертационной работы получены автором мостоятельно. Научному руководителю, доктору физико-математических ук Л.Я.Минько, принадлежит постановка задачи исследований, уществление общего руководства. Соавторы публикаций по теме
диссертационной работы внесли следующий вклад. А.И.Морозов
сформулировал физические принципы МІЖ и КСПУ, принимал участие в обсуждении полученных результатов. В.М.Асташинский принимал участие в постановке задачи, проведении экспериментов и обсуждении результатов исследований мапгатоплазменного компрессора. Г.И.Баканович принимала участие в спектроскопических, а Е.А.Костюкевич - в интерферометрических исследованиях магнитоплазменного компрессора. С.И.Ананину принадлежит постановка задачи и выполнение расчетов по численному моделированию течения компрессионных плазменных потоков. В.Б.Авраменко принадлежит постановка задачи и участие в получении и обсуждении результатов исследований по созданию потоков плазмы из диэлектриков. Остальные соавторы опубликованных по теме диссертации работ оказывали помощь в проведении экспериментов.
Публикации по теме диссертации.
По теме диссертационной работы опубликовано 9 статей в научных журналах, одно описание изобретения к авторскому свидетельству, один патент Республики Беларусь, 5 статей в материалах международных конференций, одна статья в материалах конференции, 12 тезисов докладов конференций. Общий объем опубликованных по теме диссертационной работы материалов составляет 102 страницы.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Полный ее объем составляет 131 страницу, в том числе 47 иллюстраций на 47 страницах. Список используемых источников состоит из 136 наименований на 10 страницах.
Похожие диссертации на Импульсные электроразрядные источники плазменных потоков заданного состава и управляемых параметров
