Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методика эксперимента 32
1. Экспериментальные приборы 32
2. Экспериментальные установки 43
3. Система автоматической регистрации и обработки данных на ЭВМ 46
4. Метод измерения функции распределения электронов 54
5. Схема оптических измерений 59
Глава 2. Зондовый метод диагностики анизотропной плазмы 61
1. Зондовый метод исследования низкотемпературной плазмы 61
2. Метод плоского одностороннего зовда для измерения анизотропной функции распределения электронов по скоростям 64
2.1. Методика реконструкции угловых гармоник распределения 67
2.2. Погрешность зондового метода реконструкции функции распределения электронов 68
2.3. Восстановление полной функции распределения. Полярные диаграммы направленного движения электронов (модельный эксперимент) 70
2.4. Применение плоского двустороннего и двойного зондов и определение оси симметрии в плазме 74
3. Цилиндрический зонд в анизотропной плазме 75
4. Сферический зонд 76
Глава 3. Анизотропная фрэ в плазме положительного столба тлеющего разряда низкого давления в гелии 78
1. Представление функции распределения электронов и интеграла столкновений в плазме... 78
2. Система кинетических уравнений для электронов 79
3. Свойства положительного столба разряда низкого давления 81
4. Расчет нелокальной функции распределения электронов 82
5. Локальная функция распределения во внешнем электрическом поле 86
6. Измерение лежандровых коэффициентов распределения 88
7. Дифференциальная конвективная скорость электронов 92
8. Интеграл электрон-атомных столкновений в аксиально симметричной плазме 94
9. Измерение лежандровых компонентов интеграла столкновений 96
10. Анализ роли коллективных и столкновительных взаимодействий в формировании функции распределения электронов 100
11. Энергетическая зависимость транспортного сечения электрон-атомных столкновений и определение температуры нейтрального компоненты плазмы 103
Глава 4. Низковольтный пучковый разряд в инертных газах 106
1. Типы плазменно-пучковых разрядов. НИР — модель приэлектродной плазмы 106
2. Функция распределения электронов в плазме гелиевого разряда 109
3. Особенности измерения ФРЭС цилиндрическими зондами 111
4. Структура разряда и пространственное распределение параметров 113
5. Кнудсеновский режим 115
6. Столкновительный режим 120
6.1. Столкновительный механизм релаксации распределения 121
6.2. Решения уравнения Больцмана 125
6.3. Анализ результатов теории столкновительной релаксации распределения 128 .
6.4. Роль элементарных процессов с участием метастабильных атомов гелия в формировании энергетического спектра электронов 132
6.5. Пространственная релаксация распределения и сравнение с теорией 134
6.6. Плазменно-пучковый механизм релаксации распределения 137
6.7. Условия возбуждения волн 139
6.8. Спектр ленгмюровских волн 141
6.9. Пороговый ток смены механизмов релаксации распределения 144
6.10. Механизм энергетической релаксации и нагрева тепловых электронов в столкновительной плазме 146
7. Метод диагностики анизотропной функции распределения «удаленных» астрофизических плазменных объектов 148
Глава 5. Метод магнитной диагностики приэлектроднои плазмы и свойств поверхности термокатодов 156
1. Идеальный кнудсеновский Cs-Ba диод с поверхностной ионизацией - одномерная
модель приэлектродной плазмы 156
2. Принципы магнитной диагностики кнудсеновской анизотропной плазмы с поверхностной ионизацией 157
3. Электронный ток в магнитном поле и влияние размеров приэлектродных областей 159
3.1 Методика обработки экспериментальных результатов 161
3.2 Экспериментальные данные и их анализ 163
4. Параметры приэлектродной плазмы и эмиссионные характеристики катодов в перекомпенсированном режиме 166
5. Условия образования двойных слоев в прикатодной плазме и принципы магнитной диагностики в недокомпенсированном режиме 172
6. Влияние реальных свойств поверхности катода на магнитные характеристики 182
7. Коэффициент отражения тепловых электронов от поверхности и эмиссионная неоднородность катодов 188
8. Влияние геометрии поверхности катода на формирование функции распределения в приэлектродной плазме 197
9. Транспортное сечение рассеяния медленных электронов на атомах Cs, Ва и инертных газов 207
9.1 Измерение сечения рассеяния электронов на атомах цезия 208 -
9.2 Метод определения отношения сечений рассеяния электронов на различных атомах 212
Глава 6. Плазменный кнудсеновский cs-ba термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую 219
1. Распределение потенциала в области перехода из перекомпенсированного режима в недокомпенсированный 221
2. Оптимизация тока ТЭП с плоским пленочным катодом 225
3.Оптимизация мощности и предельно-достижимые энергетические параметры кнудсеновского ТЭП с плоским катодом 229
4. Перспективы повышения энергетических характеристик кнудсеновского ТЭП за счет
использования многополостного катода в газокинетическом режиме 235
5. Коэффициент полезного действия кнудсеновского Cs-Ba ТЭП 238
Глава 7. Плазменный управляемый cs-ba ключевой элемент на высокие плотности тока 242
1. Полное сеточное управление током сильноточной кнудсеновской дуги 243
2. Физические принципы перехода кнудсеновской дуги в нестационарный режим. Явление самопроизвольного обрыва тока 253
3. Оптические исследования режима самопроизвольного обрыва тока 258
4. Способ модуляции тока сильноточной дуги и предельно-достижимые энергетические параметры Cs-Ba ключевых элементов с полным сеточным управлением 263
5. Эффективность сеточного гашения в Cs-Ba ключевом элементе 267
Глава 8. Плазменные управляемые стабилизаторы тока и напряжения 273
1. Электрокинетические характеристики плазменного диода в режиме НПР в легких инертных газах 273
2. Оптимизация параметров диодного плазменного стабилизатора напряжения 279
3. Электрокинетические параметры макетов плазменных триодов 281
3.1. Низковольтный пучковый разряде сужением разрядного канала для стабилизации тока в низковольтных цепях 281 .
3.2. Способ стабилизации тока и устройство для его реализации 284
3.3. Диафрагменный плазменный триод для целей стабилизации напряжения 288
3.4. Сеточный плазменный триод 289
3.5. Высоковольтный плазменный триод для целей стабилизации напряжения . 290
Выводы к главе 8 295
Заключение 297
Список литературы 305
- Метод плоского одностороннего зовда для измерения анизотропной функции распределения электронов по скоростям
- Локальная функция распределения во внешнем электрическом поле
- Структура разряда и пространственное распределение параметров
- Принципы магнитной диагностики кнудсеновской анизотропной плазмы с поверхностной ионизацией
Введение к работе
Приложения физики низкотемпературной плазмы представляют сегодня труднообозримую область техники. Одно из важных приложений плазменная электроэнергетика.
Фундаментальные исследования и разработки в области плазменной электроэнергети ки являются одним из важнейших направлений современной науки и техники по решению проблемы прямого преобразования энергии и имеют особое значение для народнохозяйственных, оборонных и научных целей.
Развитие космической ядерной энергетики в России в ближайшие годы будет во многом определяться исследованиями и разработками ядерно энергетических установок нового поколения на основе термоэмиссионных реакторов преобразователей (Постановление Правительства Российской Федерации № 144 «Концепция развития космической ядерной энергетики в России» от 02.02.1998 г.).
Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме разработки методов диагностики анизотропной плазмы термоэмиссионных приборов электроэнергетики. В качестве эффективных устройств, способных работать в экстремальных условиях высокого уровня радиации и температуры среды выше 1000 К, исследованы кнудсеновский Cs Ba термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую, плазменные сильноточные Cs Ba управляемые ключевые элементы и плазменные стабилизаторы тока и напряжения на базе низковольтного пучкового разряда в инертных газах. В этих устройствах в зависимости от механизма ионизации плазмообразующего компонента создается кнудсеновская плазма с поверхностной ионизацией и анизотропная плазма с объемной ионизацией.
Широкое внедрение приборов плазменной электроэнергетики в промышленность все еще сдерживается рядом нерешенных физико технических проблем, среди которых особое место принадлежит приэлектродной проблеме [1,2]. Разрешение этой проблемы неразрывно связано с пониманием процессов, происходящих на электродах и в приэлектродной плазме. Малые пространственные размеры, высокие концентрации заряженных частиц, анизотропные функции распределения, сильные электрические поля и многообразие процессов делают практически невозможным использование традиционных методов для диагностики приэлектродной плазмы.
Кроме того, существует явное несоответствие между широким применением анизотропной плазмы для научных и прикладных целей, пониманием ее важности, с одной стороны, и сравнительно малой изученностью даже такой важнейшей ее характеристики, как функция распределения электронов, с другой. Измерению пространственных и энергетических зависимостей функций распределения посвящено большое число работ, в то время как исследованию угловых зависимостей практически не уделялось внимания, несмотря на то, что характер анизотропии электронного распределения важен для широкого круга проблем физики и техники газового разряда. Связано это, прежде всего, со значительными экспериментальными трудностями измерения анизотропных функций распределения и отсутствием надежных методов диагностики.
В связи с этим разработка и создание новых методов диагностики анизотропной плазмы и свойств поверхности катодов в необычной для эмиссионной электроники условиях, когда поверхность находится в непосредственном контакте с ионизованной плазмой, а также измерение угловой структуры анизотропных функций распределения электронов, является несомненно актуальной проблемой. При этом важно, чтобы разрабатываемые методы диагностики обеспечивали проведение исследований непосредственно в экстремальных условиях, термоэмиссионных приборов электроэнергетики для надежной оптимизации их конструкции и энергетических характеристик.
Цель и задачи работы:
Разработать и создать методы диагностики анизотропной плазмы, обеспечивающие одновременное определение параметров приэлектродной плазмы, эмиссионных характеристик термокатодов и исследование энергетической и угловой структуры анизотропной функции распределения электронов.
Провести экспериментальные и теоретические исследования объектов, моделирующих приэлектродную плазму , кнудсеновского диода с поверхностной ионизацией и низковольтных пучковых разрядов с объемной ионизацией.
Применить разработанные методы диагностики анизотропной плазмы для оптимизации энергетических характеристик и конструкций термоэмиссионных приборов электроэнергетики: кнудсеновского термоэмиссионного преобразователя энергии с бинарным Cs Ba наполнением, сильноточного Cs Ba ключевого элемента с полным сеточным управлением и плазменных стабилизаторов на базе низковольтного пучкового разряда в инертных газах.
Сформулированная цель является комплексной и для ее достижения необходимо решить ряд конкретных научно технических задач, в том числе;
• Разработать и создать надежные экспериментальные приборы и установки для комплексных исследований анизотропной плазмы.
• Разработать и создать универсальную многоканальную измерительно вычислительную систему на базе ЭВМ и специальное программное обеспечение, для управления экспериментальными установками и приборами, автоматической регистрации и обработки данных, получаемых в импульсных и стационарных режимах.
• Разработать и создать магнитный метод диагностики анизотропной плазмы с поверхностной ионизацией.
• Обосновать выбор объекта, моделирующего приэлектродную плазму с поверхностной ионизацией, и провести системные исследования параметров анизотропной плазмы и реальных катодов.
• Разработать и создать зондовый метод диагностики анизотропной функции распределения электронов, обеспечивающий новые возможности исследования плазмы.
• Провести апробацию разработанного метода в плазме положительного столба тлеющего разряда низкого давления в гелии и проиллюстрировать его новые возможности.
• Обосновать выбор объекта, моделирующего приэлектродную плазму с объемной ионизацией, и провести теоретические и экспериментальные исследования анизотропной плазмы низковольтного пучкового разряда в инертных газах.
• Исследовать электрокинетические характеристики плазмы Cs Ba ТЭП с плоским и развитыми катодами в режиме с поверхностной ионизацией.
• Измерить электрокинетические параметры плазменного Cs Ba ключевого элемента с управляющим электродом в виде тонкой мелкоструктурной сетки.
• Исследовать новые способы стабилизации тока и напряжения и создать конструкции приборов для реализации плазменных стабилизаторов на базе низковольтного пучкового разряда в инертных газах.
Необходимость создания эффективных термоэмиссионных приборов электроэнергетики и оптимизации их энергетических характеристик стимулировали разработку новых методов диагностики анизотропной плазмы непосредственно в условиях плазменных устройств. Этим и обусловлена постановка перечисленного комплекса задач в данной работе.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту: /. Надежные термоэмиссионные приборы (разработанные и созданные конструкции кнуд сеновского Cs Ba ТЭП, плазменного Cs Ba ключевого элемента с полным сеточным управлением, плазменных стабилизаторов тока и напряжения) и установки для комплексных исследований анизотропной плазмы, а также методики и технологии, обеспечивающие стабильную работу высокотемпературных приборов в агрессивных средах и требуемую точность измерений.
2. Универсальная многоканальная измерительно вычислительная система на базе ЭВМ и специальное программное обеспечение, позволяющие осуществлять управление экспериментальными установками и приборами с персонального компьютера, автоматически регистрировать электрокинетические характеристики, получаемые в импульсных и стационарных режимах, а также проводить в реальном масштабе времени комплексную обработку полученных результатов программными средствами.
3. Новый универсальный метод магнитной диагностики анизотропной плазмы с поверхностной ионизацией, сочетающий в себе преимущества изучения параметров приэлектродной плазмы с возможностью одновременной диагностики эмиссионных характеристик поверхности электрода, находящегося в контакте с ионизованной плазмой.
4. Одномерная модель приэлектродной плазмы с поверхностной ионизацией и результаты систематических исследований параметров анизотропной плазмы и эмиссионных характеристик катодных материалов: степень компенсации в широком диапазоне изменения параметра Кнудсена, характер пространственного распределения потенциала и концентрации, напряженность электрического поля в приэлектродной плазме и скорость электронов, электронный и ионный токи эмиссии моно и поликристаллических вольфрамовых катодов, эмиссионная неоднородность реальных катодов в парах цезия и бария и эффективный коэффициент отражения медленных электронов от поверхности. Обоснование того, что эмиссионная неоднородность поверхности катода приводит к увеличению эффективного коэффициента отражения. Коэффициенты отражения непосредственно от поверхности и от потенциального барьера микрополей пятен, условия образования двойных потенциальных слоев в прикатодной плазме; немонотонный характер зависимости тока и скорости электронов от степени компенсации, доказывающие отсутствие заполнения потенциальной ямы ионами и распределение потенциала с виртуальным катодом в недокомпенсированном режиме, параметры приэлек тродной плазмы.
Новый метод измерения транспортного сечения рассеяния медленных электронов с энергией (0,1 1) эВ на атомах в условиях ТЭП, сечения рассеяния электронов на атомах цезия, бария и инертных газов. Метод измерения отношения сечений рассеяния на атомах различных элементов.
5. Зондовый метод диагностики функции распределения электронов в плазме с произвольной степенью анизотропии (защищен авторским свидетельством), позволяющий получать нетрадиционную информацию об энергетических и угловых зависимостях гармоник распределения.
Результаты математического анализа метода для зондов разной геометрии в отсутствии априорной информации о степени анизотропии, оптимальная методика реконструкции угловых гармоник распределения, результаты численного модельного эксперимента с пучком электронов в максвел ловской плазме, доказывающие возможность восстановления полной функции распределения электронов при проведении измерений для ограниченного числа угловых ориентации зонда в плазме, полярной диаграммы направленного движения электронов в плазме, анализ влияния степени анизотропии распределения на вид второй производной зондового тока по потенциалу зонда, результаты исследования точности метода и его устойчивости по отношению к пгрешностям эксперимента.
6. Результаты апробации разработанного зондового метода в плазме положительного столба тлеющего разряда низкого давления в гелии: t энергетические зависимости угловых гармоник функции распределения электронов fo fst обоснование доминирующей роли лишь первой угловой гармоники распределения// и общепринятого в теории двучленного разложения функции распределения в слабо анизотропной плазме, определенная с помощью// дрейфовая скорость электронов разных энергий в плазме, энергетические зависимости интегралов электрон атомных столкновений Sj, позволяющие раздельно изучать сечения процессов, протекающих в плазме с участием электронов, новый метод (защищен авторским свидетельством) определения транспортного сечения упругого рассеяния электронов на атомах гелия и локальной концентрации (температуры) нейтральной компоненты плазмы, результаты анализа роли механизмов коллективного и столкновительного взаимодействий в формировании функции распределения электронов.
7. Модель приэлектродной плазмы с объемной ионизацией и результаты теоретического и экспериментального исследования плазмы низковольтного пучкового разряда в легких инертных газах: анизотропная функция распределения электронов и энергетические зависимости угловых гармоник fo—ftt существенные признаки, отличающие низковольтный пучковый разряд в инертных газах от хорошо изученных низковольтных разрядов, доказательство доминирующей роли быстрых электронов в процессах возбуждения, ионизации и токо переноса, пространственное распределение параметров плазмы, полярные диаграммы направленного движения электронов разных энергий и полная функция распределения электронов в анизотропной плазме.
8. Результаты исследований процессов релаксации анизотропии функции распределения электронов в широком диапазоне изменения параметра Кнудсена: обнаруженная в кнудсеновском режиме релаксация функции распределения по направлениям импульса за счет рассеяния на плазменных колебаниях, генерируемых пучком, и оценка сечения этого процесса, эмпирический критерий пороговой энергетической релаксации анизотропной функции распределения на волнах и доказательство доминирующей роли плазменно пучкового механизма, если разрядный промеокуток превышает пять длин волн ленгмю ровских колебаний, генерируемых пучком, способ управления пучковой неустойчивостью в бесстолкновительном режиме путем изменения геометрии боковой границы разряда (защищен авторским свидетельством), в столкновителъном режиме результаты теоретических исследований и экспериментального измерения энергетической релаксации слабо анизотропного пучка электронов путем возбуждения и последующего столкновительного затухания ленгмюровских волн, возбуждаемых пучком, доказательство порогового характера релаксации на волнах, теоретические выражения и измеренные значения порогового тока смены механизмов релаксации и критического тока, при котором происходит переход от нагрева тепловых электронов за счет парных е е столкновений к нагреву за счет столкновительного затухания волн, J» результаты анализа влияния упругих и неупругих процессов на формирование энергетического спектра быстрых электронов, измеренные функции распределения ранее не исследованных спектральных групп электронов и новый метод определения концентрации метастабильных атомов гелия, J» новый метод (защищен авторским свидетельством) исследования параметров анизотропной плазмы удаленных астрофизических объектов и результаты модельного эксперимента по измерению угловых гармоник распределения и анизотропии электронного давления.
9. Результаты экспериментальных и теоретических исследований плазмы Cs Ba ТЭП в режиме с поверхностной ионизацией: параметры анизотропной плазмы и результаты доказывающие, что использование паров Вас одной стороны повышает работу выхода анода и оптимальную температуру, а с другой снижает требования к материалу катода и позволяет, изменяя в широких пределах его работу выхода, оптимизировать электронный ток. Метод обобщенной вольтамперной характеристики и результаты оптимизации мощности ТЭП с плоским катодом, полученные предельно достижимые параметры: электрическая мощность 27 вт/см2 и КПД 23% при ГК=2270К, d=0,l мм. Результаты сравнительного анализа реального КПД ТЭП в режиме с поверхностной ионизацией и в дуговом режиме. 10. Результаты улучшения энергетических характеристик кнудсеновского ТЭП за счет различных геометрий развития поверхности катодов: разработанный новый метод исследования анизотропии энергетического распределения электронов в полостях развитого катода с помощью поперечного магнитного поля и специально ориентированных зондов, измеренная в перекомпенсированном режиме сильно анизотропная функция распределения электронов в полостях, связанная с большой направленной скоростью электронов вдоль стенок полости, предложенная модель, объясняющая механизм формирования тока в полостях, .обоснование существенной роли взаимодействия электронов с приэлектродным потенциальным барьером сложной структуры, образующимся вблизи неоднородного по работе выхода электрода, анализ механизмов формирования тока в полостях в зависимости от работы выхода катода и обоснование того, что многополостные катоды всегда дают выигрыш в электронном токе и мощности в перекомпенсированном режиме, при этом перспективным для практического применения является слабая чувствительность предельных параметров таких ТЭП к работе выхода катода.
11. Результаты исследования электрокинетических параметров плазмы полностью управляемого плазменного Cs Ba ключевого элемента с тонкой мелкоструктурной сеткой в качестве управляющего электрода, при этом в стационарном режиме кнудсе новской дуги: обоснование того, что бинарный Cs Ba наполнитель полностью решает проблему катода при низком давлении цезия и упрощает решение проблемы материала сетки, полученные высокая электропрочность триода в диапазоне давлений паров цезия 10"4 10"2 тор и малые потери напряжения в открытом состоянии 0,8 2,5 В, параметры модуляции мощность 1,8 кВт/см и КПД более 95%.
12. Обнаруженное явление самопроизвольного обрыва тока и новый эффективный способ модуляции тока (защищен авторским свидетельством), при этом впервые: результаты исследований физических процессов перехода кнудсеновской дуги в нестационарный режим, обнаруженные нелинейные колебания в плазме, предшествующие самопроизвольному обрыву тока и измеренная большая длительность импульса надкритического тока, обусловленная десорбцией атомов цезия с поверхностей анода и сетки, результаты оптических исследований нестационарных процессов в режиме самопроизвольного обрыва тока и анализ влияния колебательных процессов на эффективность сеточного гашения при ограничении ионизации из за нехватки атомов, результаты исследований эффективности сеточного гашения и установление того, что увеличение амплитуды колебаний с ростом плотности тока приводит к существенному уменьшению амплитуды гасящего сеточного импульса и, следовательно, к снижению затрат на управление током, предельные параметры модуляции в нестационарном режиме: при анодном напряжении 50 В, на частотах 1 10 кГц устойчиво модулируемая удельная электрическая мощность 4 кВт/см2 с КПД более 95 %.
13. Результаты исследований электрокинетических характеристик плазмы низковольтного пучкового разряда с сужением разрядного канала, анализа механизмов токопереноса и условий возникновения двойного слоя. новый способ стабилизации тока и параметров плазмы и устройство для его реализации (защищен авторским свидетельством), новые способы и устройства для стабилизации напряжения и управления электронным током в анизотропной плазме (защищены двумя авторскими свидетельствами).
Объектом исследования являлась анизотропная приэлектродная плазма термоэмиссионных приборов электроэнергетики.
Сформулирован новый методический подход к исследованию приэлектродной плазмы принцип моделирования физических явлений, включающий создание модельного объекта, измерение параметров анизотропной плазмы, построение самосогласованных теоретических моделей и сравнение результатов теории с экспериментом. Моделируются анизотропные плазмы двух типов: кнудсеновская плазма с поверхностной ионизацией и пучковая разрядная плазма с объемной ионизацией.
Поясним принцип моделирования на примере анизотропной плазмы с поверхностной ионизацией. Плазма создается в условиях кнудсеновского цезий бариевого диода с поверхностной ионизацией. Ионы рождаются за счет поверхностной ионизации атомов цезия, поступающих из межэлектродного промежутка; электроны за счет термоэлектронной эмиссии. Анод, поглощающий заряженные частицы, располагается параллельно катоду на расстоянии, меньшем характерного размера электродов и длины свободного пробега электронов. Силы, действующие на заряженные частицы в плазме, обусловлены самосогласованным электрическим полем. Изменением давления паров бария достигается плавное управление величиной работы выхода катода, что позволяет в широких пределах варьировать концентрации заряженных частиц, напряженность электрического поля в прикатодном слое, направленную скорость электронов в плазме, исследовать условия возникновения двойных слоев в прикатодной плазме и их влияние на кинетику процессов токопереноса. Это делает КДПИхорошей одномерной моделью приэлектродной анизотропной плазмы.
Бинарная цезий бариевая плазменная среда в безразрядном режиме применена для создания кнудсеновского ТЭП, а в режиме кнудсеновской дуги — для разработки и исследования стационарных и импульсных сильноточных плазменных ключевых элементов.
Моделирование приэлектродных процессов в анизотропной плазме с объемной ионизацией и исследование динамики релаксации интенсивного моноэнергетичного пучка электронов проводилось в плазме низковольтного пучкового разряда в легких инертных газах.
Анизотропная плазма исследована непосредственно в рабочих условиях приборов электроэнергетики. Исследованы функции распределения электронов, параметры плазмы цезия, бария и легких инертных газов и основные закономерности процессов в приэлектрод ной плазме. Выработаны рекомендации для практического использования результатов исследований.
Научная новизна и значимость работы заключаются в разработке и создании комплекса новых методов и средств (автоматизированных экспериментальных установок, высокотемпературных плазменных приборов и специального математического обеспечения) для проведения фундаментальных исследований приэлектродной анизотропной плазмы.
Теория и эксперимент, как правило, взаимно дополняют друг друга, поэтому наиболее важные результаты получены как теоретически, так и экспериментально:
• Разработаны и созданы надежные термоэмиссионные приборы (макеты кнудсе новского Cs Ba ТЭП, плазменного Cs Ba ключевого элемента с полным сеточным управлением, плазменных стабилизаторов тока и напряжения) и установки для комплексных исследований анизотропной плазмы, а также методики и технологии, обеспечивающие стабильную работу высокотемпературных приборов в агрессивных средах и требуемую точность измерений.
• Разработана и создана универсальная многоканальная измерительно вычислительная система на базе ЭВМ и специальное программное обеспечение, позволяющие осуществлять управление экспериментальными установками и приборами с персонального компьютера, автоматически регистрировать электрокинетические характеристики, получаемые в импульсных и стационарных режимах, а также проводить комплексную обработку полученных результатов программными средствами в реальном масштабе времени. Применение цифровой регистрации данных расширило возможности комплексного анализа, увеличило информативность и чувствительность методов диагностики, повысило достоверность результатов исследований.
• Разработан и создан новый универсальный метод магнитной диагностики анизотропной плазмы с поверхностной ионизацией, сочетающий в себе преимущества изучения приэлектродной плазмы с возможностью одновременной диагностики эмиссионных характеристик поверхности, находящейся в контакте с сильно ионизованной плазмой.
• Создана одномерная модель приэлектродной плазмы с поверхностной ионизацией и проведены систематические исследования параметров анизотропной плазмы и эмиссионных характеристик катодных материалов. Впервые в плазме кнудсеновского диода с поверхностной ионизацией одновременно измерены: степень компенсации в широком диапазоне изменения параметра Кнудсе на, характер пространственного распределения потенциала, концентрации и напряженность электрического поля в приэлектродной плазме, скорость электронов в плазме, электронный и ионный токи эмиссии моно и поликристаллических вольфрамовых катодов, эмиссионная неоднородность реальных катодов в парах цезия и бария и эффективный коэффициент отражения медленных электронов от поверхности. Показано, что эмиссионная неоднородность поверхности катода приводит к увеличению эффективного коэффициента отражения. Коэффициенты отражения непосредственно от поверхности и от
потенциального барьера микрополей пятен, условия образования двойных потенциальных слоев в прикатодной плазме; немонотонный характер зависимости тока и скорости электронов от степени компенсации, доказывающие отсутствие заполнения потенциальной ямы ионами и обосновывающие распределение потенциала с виртуальным катодом в недокомпенсированном режиме, параметры приэлектродной плазмы.
Разработан новый метод измерения транспортного сечения рассеяния мед ленных электронов с энергией (0,1 1) эВ на атомах в условиях ТЭП, измерены сечения рассеяния на атомах цезия, бария и инертных газов. • Впервые разработан зонд о вый метод диагностики функции распределения электронов в плазме с произвольной степенью анизотропии, позволяющий получать нетрадиционную информацию об энергетических и угловых зависимостях гармоник распределения. Выполнен математический анализ применения зондов разной геометрии для ди агностики анизотропной плазмы в отсутствии априорной информации о степени анизо тропии, разработана оптимальная методика реконструкции угловых гармоник распреде ления, проведен численный модельный эксперимент с пучком электронов в плазме и показана возможность восстановления полной функции распределения электронов, по лярной диаграммы направленного движения электронов в плазме, исследовано влияние степени анизотропии распределения на вид второй производной зондового тока по потен циалу зонда, проведены исследования точности метода и его устойчивости по отношению к по грешности эксперимента. Обоснована высокая точность результатов при проведении измере ний для ограниченного числа ориентации зонда в плазме. • Разработанный зондовый метод апробирован в плазме положительного столба тлеющего разряда низкого давления в гелии, при этом впервые: измерены энергетические зависимости угловых гармоник функции распределения электронов fo— fs, установлена доминирующая роль лишь первой угловой гармоники рас пределения//и экспериментально обосновано общепринятое двучленное разложение функ ции распределения в слабо анизотропной плазме, определена с помощью// дрейфовая скорость электронов разных энергий, измерены интегралы электрон атомных столкновений Sj, позволяющие раз дельно изучать сечения процессов, протекающих в плазме с участием электронов, J разработан новый метод определения транспортного сечения упругого рассея ния электронов на атомах гелия и локальной концентрации (температуры) нейтральной компоненты плазмы, проведен сравнительный анализ роли механизмов коллективного и столкновитель ного взаимодействий в формировании функции распределения электронов. • Обоснован выбор объекта, моделирующего приэлектродную плазму с объем ной ионизацией, и проведены теоретические и экспериментальные исследования ани зотропной плазмы низковольтного пучкового разряда в инертных газах, при этом впервые: измерены энергетические зависимости угловых гармоник /о /б установлены существенные признаки, отличающие низковольтный пучковый разряд в инертных газах от хорошо изученных низковольтных разрядов, показана доминирующая роль быстрых элек тронов в процессах возбуждения, ионизации и токопереноса, измерено пространственное распределение параметров плазмы, построены поляр ные диаграммы направленного движения электронов разных энергий и восстановлена полная функция распределения электронов в анизотропной плазме. • Исследованы механизмы релаксации анизотропии функции распределения электронов в широком диапазоне изменения параметра Кнудсена: в кнудсеновском режиме обнаружена релаксация распределения по направлениям импульса за счет рассеяния на плазменных колебаниях, генерируемых пучком, и выпол нена оценка сечения этого процесса, получен эмпирический критерий пороговой энергетической релаксации анизо тропной функции распределения на волнах; показано, что в широком диапазоне условий плазменно пучковый механизм доминирует, если разрядный промежуток превышает пять длин волн ленгмюровских колебаний, генерируемых пучком; предложен способ управления пучковой неустойчивостью в бесстолкновительном режиме путем измене ния геометрии боковой границы разряда (использован при создании плазменных стабили заторов), в столкновителыюм режиме теоретически обоснована и экспериментально из мерена энергетическая релаксация слабо анизотропного пучка электронов путем воз буждения и последующего столкновительного затухания ленгмюровских волн, возбуж даемых пучком, показано, что релаксация на волнах имеет пороговый характер, получены выра жения и измерены значения порогового тока, при котором происходит смена меха низмов релаксации и критического тока, при котором происходит переход от нагрева те пловых электронов за счет парных е е столкновений к нагреву за счет столкновительного затухания волн, проанализировано влияние упругих и неупругих процессов на формирование энер гетического спектра быстрых электронов, измерены пространственные и энергетические распределения ранее не исследованных спектральных групп электронов, предложен ме тод определения концентрации метастабильных атомов гелия, J разработан новый метод исследования параметров анизотропной плазмы уда ленных астрофизических объектов, в модельном объекте измерены угловые гармоники распределения и анизотропия электронного давления. • Экспериментально и теоретически исследованы электрокинетические пара метры плазмы Cs Ba ТЭП в режиме с поверхностной ионизацией: показано, что использование паров Ва с одной стороны повышает работу выхода анода и оптимальную температуру, а с другой снижает требования к материалу катода и позволяет, изменяя в широких пределах его работу выхода, оптимизировать электронный ток, построена обобщенная вольтамперная характеристика и выполнена оптимиза ция мощности ТЭП с плоским катодом, получены предельно достижимые параметры, так для Гк= 2270 К: /= 0,1 мм, • электрическая мощность 27 Вт/см2 , КПД 23 %, а для d = 1 мм, электрическая мощность 15 Вт/см2 и КПД 18 %; обосновывается целесообразность создания Cs Ba ТЭП в связи с его высоким реальным КПД, близким к КПД Карно. Полученное в режиме с по верхностной ионизацией отношение греальн/тіКарн0 = 0»б значительно превышает аналогич ное в дуговом режиме. • Исследована возможность повышения энергетических характеристик кнудсе новского ТЭП за счет различных геометрий развития поверхности катода, при этом впервые: ) разработан новый метод исследования анизотропии распределения электронов в полостях развитого катода с помощью поперечного магнитного поля и специально ориентированных зондов, установлено, что в перекомпенсированном режиме распределение электронов в полостях сильно анизотропно, причем электроны приобретают большую направленную скорость вдоль стенок полости, предложена модель, объясняющая механизм формирования тока в полостях. Пока зано, что существенную роль играет взаимодействие электронов с приэлектродным потенци альным барьером сложной структуры, образующимся вблизи неоднородного по работе вы хода электрода, проанализированы механизмы формирования тока в полостях в зависимости от ра боты выхода катода, показано, что многополостные катоды всегда дают выигрыш в элек тронном токе и мощности в перекомпенсированном режиме. Перспективным для практиче ского применения является слабая чувствительность предельных параметров таких ТЭП к работе выхода катода. • Исследованы электрокинетические параметры плазмы полностью управляемо го плазменного Cs Ba ключевого элемента с тонкой мелкоструктурной сеткой в качест ве управляющего электрода. В стационарном режиме кнудсеновской дуги: показано, что использование бинарного Cs Ba наполнителя полностью решает проблему катода при низком давлении цезия и упрощает решение проблемы материала сетки, получены высокая электропрочность триода в диапазоне давлений паров цезия 10"4 10"2 тор, малые потери напряжения в открытом состоянии 0,8 2,5 В, устойчиво модули руемая мощность 1,8 кВт/см2 и КПД более 95%. • • Обнаруокено явление самопроизвольного обрыва тока и предложен новый эф фективный способ модуляции тока, при этом впервые: исследованы физические процессы перехода кнудсеновской дуги в нестационарный режим, показано, что самопроизвольному обрыву тока всегда предшествует развитие нелинейных колебаний в плазме, обоснована большая длительность импульса надкритического тока, связанная с десорбцией атомов цезия с поверхностей анода и сетки, выполнены оптические исследования нестационарных процессов в режиме само произвольного обрыва тока и обнаружено существенное влияние колебательных про цессов на эффективность сеточного гашения при ограничении ионизации из за нехватки атомов, исследована эффективность сеточного гашения и показано, что увеличение амплитуды колебаний с ростом плотности тока приводит к существенному уменьшению амплитуды гасящего сеточного импульса и, следовательно, к снижению затрат на управление током, показано, что плазменный Cs Ba ключевой элемент в нестационарном режиме пер спективен не только с точки зрения эффективности управления, но и с точки зрения пре дельных параметров. При анодном напряжении 50 В получена устойчивая модуляция на частотах 1 10 кГц удельной электрической мощности 4 кВт/см2 и КПД более 95 %. • Обнаружен ряд явлений, связанных с процессами токопереноса в анизотроп ной плазме низковольтного пучкового разряда в легких инертных газах с сужением раз рядного канала, реализованы новые способы и устройства для стабилизации и управления напряжением и электронным током. Результаты работы позволяют классифицировать их в целом как научное достижение в разработке новых методов диагностики и развитии представлений о процессах в анизотропной плазме. Практическая значимость результатов работы состоит в том, что в ней изложены научно обоснованные технические решения методов диагностики анизотропной плазмы и ее применения в термоэмиссионных приборах электроэнергетики, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие наукоемких технологий, экономики и обороноспособности страны. • Разработанные методы диагностики анизотропной плазмы и принцип модели рования открывают новые возможности для: создания новых приборов плазменной электроэнергетики, исследования их электрокинетических характеристик, измерения анизотропии распределения электронов и совместного изучения процессов на поверхности электродов и в приэлектродной плазме, исследования низкотемпературной плазмы с пучками заряженных частиц, J дальнейшего совершенствования методов диагностики анизотропной плазмы, повышения их точности и надежности. • Данные об энергетической зависимости интегралов электрон атомных столкновений открывают возможности раздельного изучения физических процессов, протекающих в плазме с участием электронов одновременно, получения информации о сечениях этих процессов и о конкурентной роли парных и коллективных взаимодействий в формировании распределения электронов. • Основные закономерности релаксации анизотропии распределения электронов мо гут быть использованы для изучения приэлектродных явлений в плазме высоковольтных пучковых разрядов, СВЧ разрядов, низковольтных разрядов в парах щелочных и щелочноземельных металлов, плазме послесвечения, а также для разработки и создания новых плаз менных источников и нелинейной теории турбулентной плазмы. • Одновременное применение разработанного зондового метода и метода поляризационной спектроскопии открывает возможности неконтактных исследований анизотропной плазмы удаленных астрофизических плазменных объектов. • Результаты исследований кинетических характеристик приэлектродной плазмы приборов электроэнергетики позволяют осуществлять рациональный выбор конструкций, режимов работы, а также оптимизировать их энергетические параметры и эффективность. • Предложенный вариант конструкции цезий бариевого ТЭП с многополостным пленочным катодом обеспечивает, наряду с увеличением электрической мощности, слабую зависимость максимальной мощности от работы выхода катода. Это делает перспективным его практическое применение в кнудсеновском или в переходном к столкновительномуре жимах и позволяет снизить рабочую температуру катода. • Результаты исследований явления самопроизвольного обрыва тока кнудсеновской цезий бариевой дуги позволили создать принципиально новый способ модуляции тока и эффективный сильноточный управляемый ключевой элемент, коммутирующий в диапазоне частот 1 10 кГц плотность электрической мощности 4 квт/см2 с КПД 95%. Созданные методы диагностики и выполненные исследования анизотропной плазмы, вносят вклад не только в развитие новых приборов и методов экспериментальной физики, но и в развитие новых направлений в плазменной электронике и физике плазмы. Результаты работы могут быть использованы исследователями физики плазмы и раз работниками плазменных энергетических установок, способных работать при высоком уровне радиации и температуре среды выше 1000 К. Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации экспериментальные методы исследований анизотропной плазмы внедрены в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН (подтверждено актом внедрения) и реализованы при выполнении государственных и акаде мических программ: «Физическая кинетика разреженной низкотемпературной плазмы», «Приэлектродные процессы в низкотемпературной плазме», «Теоретические и эксперимен тальные исследования фундаментальных проблем физики термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую», а также НИР ЛГИ им. Г.В. Плеханова, в которых автор выступал в качестве научного руководителя: «Исследования плазмы низковольтных пучковых разрядов в инертных газах с целью создания приборов высокотемпературной плазменной электроники» (№ 50/81 и № 78/86; 1981 1990 гг.), проводимых совместно с ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, «Фундаментальные и прикладные исследования электрических, оптических и тепловых явлений в плазме» (1991 2001 гт.) и «Фундаментальные исследования анизотропной плазмы с целью создания радиационностойкой электроники для решения проблем охраны окружающей среды» (7Т §53; 2000 2002 гг.), финансируемых Федеральным Фондом Министерства образования. Достоверность и обоснованность результатов. Основные результаты диссертации являются новыми, защищены 6 авторскими свидетельствами и были впервые получены в работах автора. Они широко опубликованы в научной печати и хорошо известны спе циалистам в области физики низкотемпературной плазмы, термоэмиссионного преобразования, плазменной электроники и смежных областей: 58 статей в отечественных академических изданиях и международных физических журналах, 46 докладов в сборниках трудов отечественных и международных конференций. Результаты диссертации вошли в современную Энциклопедию низкотемпературной плазмы I под редакцией академика В.Е. Фортова I. М.: Наука, 2000, т.2, т.4. Достоверность результатов обеспечена системностью проведенных исследований, в ходе которых основные параметры анизотропной плазмы и электрокинетические характеристики термоэмиссионных приборов электроэнергетики получены как теоретически, так и экспериментально. Проведен тщательный научный анализ данных и продемонстрировано как качественное, так и количественное соответствие эксперимента и теории. Измерения проведены с применением разработанных методов диагностики и современной системы цифровой многоканальной регистрации, основанной на принципах стробируемого интегрирования. Получено хорошее совпадение результатов с данными контрольных экспериментов на различных установках и других авторов (в случаях, когда это сравнение было возможным).
Метод плоского одностороннего зовда для измерения анизотропной функции распределения электронов по скоростям
Метод плоского одностороннего зонда, как это видно из (17), вообще говоря, не требует никакой априорной информации о ФРЭ в плазме: основная формула метода верна при любой степени анизотропии плазмы. Для того, чтобы точность вычисления интегралов в (17) по квадратурным формулам была высокой, необходимо при измерениях 1и использовать достаточно большое число ориентации зонда в плазме и достаточно мелкий шаг по потенциалу зонда. Однако это приводит к значительным объемам исходной информации. Так, в плазме НПР в гелии, где энергия пучка составляет 20-30 эВ, общее число исходных значений Ги уже при 10 положениях зонда и шаге по энергии 0,1 эВ составляет 3000. Поскольку в эксперименте приходится определять fj для различных режимов разряда и в
разных его точках, то понятно, что оперировать такими большими массивами чисел крайне неудобно. Для уменьшения числа исходных значений Ги и оптимизации процесса измерения целесообразно учесть ту предварительную информацию, которая содержится в зондо-вых характеристиках 1и. Любые квадратурные формулы, заменяющие интегрирование по угловой переменной х, будут обладать минимальной погрешностью, если в систему узлов войдут значения угла ориентации, при которых величина 1и имеет локальные экстремумы. , Так как в аксиально-симметричной плазме ось симметрии является выделенным направлением, то в систему узлов должны входить соответствующие углам a = 0 и a = тс значения косинусов х= 1 и х = -1. Соответственно, для того, чтобы получить информацию о свойствах анизотропной плазмы, требуется проведение измерений Ги как минимум при двух ори ентациях зонда: a = 0 и a = я. Отметим, что среди квадратурных формул, содержащих на чало и конец промежутка интегрирования, наивысшей алгебраической степенью точности обладают формулы Маркова [67].
Интеграл по энергии в (17) имеет особенность в нуле. Поэтому функции /,. могут быть определены, начиная с некоторого значения аргумента U - U . Интегрирование в (17) по энергии при этом проводится по промежутку [Uma,Umax], вне которого величина 1ц оказывается меньше порога чувствительности приборов экспериментальной установки и принимается равной нулю. Поскольку зависимость от энергии величины /J является немонотонной и имеет сложный характер, то вычисление интеграла по энергии в (17) удобно проводить по формулам трапеции и Симпсона. При этом шаг интегрирования, а значит, и шаг по потенциалу зонда при измерении 1 выбираются таким образом, чтобы расхождение результатов было незначительным. Таким образом, погрешность вычисления интегралов в (17) может быть сделана сколь угодно малой и погрешность величин fs определяется погрешностью самого метода.
Приступая к оценке погрешностей метода, отметим, что систематическая ошибка при измерении /у не оказывает никакого влияния на значения определяемых величин /у для \ j 2N-3 при использовании формул Маркова для численного интегрирования по углу (N- число ориентации зонда, N 2). Это следует из свойств ортогональности полиномов
Лежандра. Для определения величины /0 необходимо исключить систематическую ошибку из исходных значений Ги. Последнее нетрудно сделать, если учесть, что при больших значениях энергии величины 1у и /0 должны быть практически равны нулю. Обозначим теперь через А и Af погрешности экспериментальных данных и величин fj соответственно. Тогда из (17) получаем: Г" Rj(U, є)dz. Как видно, интервал энергий [{/ , U ], для которого погрешности вычисляемых величин fj находятся в разумных пределах, сужается с увеличением у. Поэтому число лежандровых коэффициентов fj, которые могут быть найдены с помощью предлагаемого метода, ограничено и зависит от уровня точности эксперимента.
Решение модельной задачи проводилось с целью изучения взаимосвязи вида Ги и степени анизотропии ФРЭ, а также с целью изучения возможности восстановления полной ФРЭ по скоростям. В качестве модельной была выбрана ФРЭ, описывающая пучок быстрых электронов в максвелловской плазме:
Здесь медленные электроны задаются концентрацией п и температурой Те. Характеристики пучка быстрых электронов определяют параметры: р - степень анизотропии; So - средняя энергия пучка; уг - характерная полуширина пучка в пространстве энергий. ФРЭ нормирована на концентрацию где по - концентрация электронов пучка Параметр yi рассчитывался через соотношение концентраций щ и п:
Значения Il(qU,a), соответствующие ФРЭ (19), рассчитывались по формуле (9). Энергетическая зависимость I[;(gU,а = 0) приведена на рис.32. Видно, что анизотропия пучковых электронов приводит к появлению отрицательных значений Ги в области энергий меньших энергии пучка. Уменьшение степени анизотропии пучка влечет за собой исчезновение отрицательных значений 1ц.
Локальная функция распределения во внешнем электрическом поле
Для плоского двухстороннего зонда коллектирующими поверхностями являются обе его стороны. Направления внешних нормалей к этим двум коллектирующим плоскостям отличаются на угол п. Как известно, полиномы Лежандра с нечетными индексами меняют свой знак при изменении аргумента на угол тс, и по этой причине при суммировании по всей коллектирующей поверхности зонда в выражении (11) слагаемые с полиномами Лежандра нечетных индексов выпадают. Определение конечного числа лежандро-вых компонентов функции распределения с четными индексами может быть проведено по методике, описанной выше.
Для плоского двойного зонда каждая из сторон является автономной коллектирующей поверхностью. Если электрическое соединение коллектирующих поверхностей двойного зонда суммирует токи, то двойной зонд будет эквивалентен плоскому двухстороннему зонду и этот случай уже рассмотрен. Суммирование токов коллектирующих поверхностей зонда осуществляется при использовании схемы соединений, приведенной на рис.35.
Если осуществить такое включение двойного зонда, когда сигнал пропорционален разности токов коллектирующих поверхностей (рис.36), то в выражении (11) будут отсутствовать слагаемые, содержащие полиномы Лежандра с четными индексами. Механизм определения конечного числа лежандровых компонентов функции распределения с нечетными индексами аналогичен рассмотренному выше.
Как правило, пространственное расположение оси симметрии плазмы априорно известно и определяется геометрией или иными особенностями объекта исследования. Однако возможно и независимое экспериментальное определение направления оси симметрии плазмы. Для этой цели должен быть использован плоский двойной зонд. Действительно, если плоский двойной зонд состоит из двух идентичных коллектирующих плоскостей, то в том случае, когда ось симметрии плазмы лежит в плоскости зонда, токи, собираемые коллекторами зонда, одинаковы. Баланс нарушается при любом другом расположении зонда, что и позволяет находить пространственное положение оси симметрии плазмы.
Цилиндрический зонд чаще всего используется в практике зондовых измерений. Рассмотрим цилиндрический зонд, произвольно ориентированный в аксиально-симметричной плазме. Допустим, что угол между осью симметрии плазмы и осью зонда X. Введем вспомогательную сферическую систему координат, полярная ось которой перпендикулярна плоскости, в которой расположена ось зонда и ось симметрии плазмы (рис.37). Направление оси симметрии плазмы во вспомогательной системе координат характеризуется полярным и азимутальным углами 9 = 7г/2 и ф = 0 и направление нормали
некоторого элемента поверхности зонда углами 02 и ф2 =(Х±тг/2). Угол между указанными направлениями будет, согласно обозначениям, введенным ранее, Ф0, и для него имеет место следующее соотношение:
Лежандровые коэффициенты функций распределения электронов по скоростям f} и интеграла столкновений Sj не являются независимыми. Связь между ними определяется системой кинетических уравнений, которая может быть получена из кинетического уравнения Больцмана (27) за счет использования свойств ортогональности многочленов Лежандра [69].
Умножив (30) на соответствующий полином Pj(cosQ) и интегрируя по угловым координатам в пространстве скоростей dQ = sinQdddcp, получим следующее уравнение для функций f}: где e,m — соответственно заряд и масса электрона; Е — напряженность электрического поля; функция распределения нормирована на концентрацию электронов и рекуррентные соотношения: Полагая в (31) последовательно j = 0,1,2,..., получаем следующую цепочку уравнений: J = 0 (« Полученную цепочку уравнений можно оборвать на двух первых, если функцией /2 можно пренебречь в сравнении с f0, т.е. если Легко видеть, что система кинетических уравнений (31) позволяет определить Лежанд-ровые коэффициенты интеграла столкновений Sj, для чего должны быть измерены fj и Ег.
Структура разряда и пространственное распределение параметров
Прежде всего отметим, что наличие электродов приводит к делению газоразрядного промежутка на области пространственного заряда вблизи анода и катода и протяженную область квазинейтральности плазмы между ними. В случае термодинамического равновесия между плазмой и электродом нарушение нейтральности плазмы у электрода происходит в пределах длины дебаевского экранирования LD(Te) = Te/4nnq2 , где Те — температура плазмы; п - концентрация электронов; q — заряд электрона. При этом толщина дебаевского слоя LD весьма слабо зависит от падения напряжения в нем [45, 107]. В неравновесном случае, при протекании тока у, приэлектродная область пространственного заряда расширяется, образуя так называемый ленгмюровский слой, протяженность которого LQ в случае неэмиттирующего электрода при достаточно больших падениях напряжения фо в слое (доо » Те) может быть оценена из закона «3/2» Ленгмюра
Здесь индексы ей і относятся к электронам или ионам в зависимости от полярности фо. Ток je і может быть представлен в виде [45]_/е f=у {TJm ,)1а, где у,, /« 1. В результате получаем
Изменения потенциала в области квазинейтральной плазмы невелики Aip&Te/q [130]. При этом слабо выраженный минимум потенциала в этой области ограничен двумя потенциальными барьерами у катода ф и анода фа. Для рассматриваемого диапазона параметров разряда р = IО"1 -10 тор, d« 1 см, температура катода Т » 0,1 эВ, рш 20-30 В и фа« 1-2 В. Характерное распределение потенциала в плазме НПР в гелии приведено на рис.61, а [130].
В широком диапазоне изенения параметров НПР реализуется характерная для слабоио-низованной плазмы ситуация, когда столкновения заряженных частиц происходят только в области квазинейтральной плазмы: Lo«lea= /Nacy (lea - длина свободного пробега электронов при упругих соударениях с атомами; а - транспортное сече ние рассеяния; Na - концентрация атомов). Это позволяет не рассматривать детально явления на малом масштабе («1о) вблизи электродов, заменив такое рассмотрение соответствующим граничным условием.
В области квазинейтральности плазмы НПР присутствуют две группы электронов [23, 130]: медленные, тепловые электроны плазмы с энергией є» 1-2 эВ и быстрые, неравновесные электроны пучка с энергией є«єо = 7фкат«20-ЗОзВ (см. рис.55). Пучок быстрых электронов формируется в результате ускорения эмиттируемых катодом электронов на падении потенциала в ленгмюровском слое. Прохождение пучка через плазму разряда в бесстолкно-вительном случае (lea d) рассматривается в следующем параграфе. В столкновительном случае (1еа « d) пучковые электроны релаксируют по направлению импульса (изотропизу-ются уже на расстояниях «1еа вследствие упругого рассеяния на атомах. Специфика НПР в инертных газах заключается в том, что релаксация пучка по энергии при упругих соударениях с атомами незначительна: даже в столкновительном режиме соответствующая длина релаксации Le» d. Таким образом, пучок определяет свойства плазмы этого разряда на всем протяжении газоразрядного промежутка.
Отметим, что при упругом рассеянии на атомах часть электронов может возвращаться обратно на эмиттер. Действительно, прикатодный барьер пропускает те электроны пучка, для которых -1 cos9 -д/е0/є (0 — угол между вектором скорости v электрона и осью z, направленной от катода к аноду). Энергия электронов пучка є лишь незначительно превос ходит величину прикатодного барьера: єо s Єо + Ткхт. Поскольку Гкат « єо то Veo/ и доля вернувшихся на катод быстрых электронов мала. Далее влиянием этого эффекта (так называемого эффекта кинетического отражения) всюду пренебрегается.
Перепад потенциала в разряде невелик и перенос токау о быстрых электронов обусловлен их диффузией от катода к аноду: jo(z) = —qD dnoldz), «о — концентрация быстрых электронов. Величина прианодного потенциального барьера (ра мала по сравнению с энергией пучковых электронов (яфа/Ео « 1) и они беспрепятственно достигают поверхности анода.
Появление группы тепловых электронов связано с процессами возбуждения и ионизации атомов. Поскольку соответствующие потенциалы для Не весьма велики (Ехап 24,6 эВ, Ет « 19,8 эВ - энергия возбуждения нижнего метастабильного состояния He(23S\)), то процессы ионизации и возбуждения обеспечиваются только группой быстрых электронов. Перенос тока в зазоре в значительной степени обеспечивается также быстрыми электронами [130]. Плотность полного электронного тока в общем случае равна сумме плотностей токов быстрыхУо и тепловых электронову т- При этом доля тока, переносимого тепловыми электронами, возрастает по мере приближения к аноду. Прианодный потенциальный барьер уфа« 1-2 эВ ограничивает хаотический ток тепловых электронов на анод так, что jT(d) + jQ(d) = js, где js - ток эмиссии катода, ут( /) = Q,25qnr (d) STe Iтип ехр{- ?фа / Те}[l - ц/0(дсра / Те)\Х,
Характерные значения концентрации быстрых по и медленных nt электронов вдоль зазора приведены на рис.61, в [130]. Видно, что в рассматриваемых режимах горения НПР в гелии плазма образуется, в основном, медленными электронами.
Практически все особенности НПР в инертных газах определяются наличием пучка, поэтому далее основное внимание уделяется именно этой группе электронов. Что касается тепловых электронов, то их функция распределения практически изотропна и далее всюду предполагается максвелловской.
В бесстолкновителыюй плазме разряда пучок электронов не релаксирует на парных столкновениях ни по импульсу, ни по энергии. В этих условиях ФРЭ обладает сильной анизотропией и неустойчива по отношению к возбуждению колебаний плазмы [91, 93, 132]. Процесс развития неустойчивости носит пороговый характер: нарастание интенсивности колеба ний плазмы происходит лишь при превышении некоторого критического значения тока. До настоящего времени теоретический анализ инкрементов, критического тока и динамики релаксации ФРЭ проводился только для пучков малой плотности по « т с дисперсией по скоростям удовлетворяющей условию[133-134]
В бесстолкновительной плазме гелиевого пучкового разряда концентрация быстрых Для изотропной функции распределения величина Ги не должна зависеть от ориентации плоского зонда в плазме. Для анизотропной ФРЭ у Ги появляются отрицательные значения. На рис.62, а, б представлена трансформация расчетных Iv (а = 0) согласно (9) и полярных диаграмм направленного движения электронов с изменением степени анизотропии модельной ФРЭ. Здесь в качестве модельной взята функция распределения, описывающая пучок быстрых электронов в максвелловской плазме: где характеристики пучка быстрых электронов определяют параметры: р — степень анизотропии; єо среднюю энергию; у2 — характерную полуширину в пространстве энергий и у, - концентрацию.
Сравнительный анализ 1и и полярных диаграмм показывает, что в процессе изо-тропизации ФРЭ исчезают отрицательные участки на кривых Ги и уменьшаются ее амплитудные значения при неизменной величине средней энергии пучка.
Рассмотрим теперь в бесстолкновительной плазме экспериментальные результаты (рис.63, а, б) аксиальных зависимостей 1Ц и полярных диаграмм направленного движения электронов для плотности разрядного тока ниже критической. Сплошные кривые (а = 0) соответствуют токопринимающей поверхности плоского зонда обращенной к катоду, пунктирные (а = я) — к аноду. Видно, что для (а = 0) кривые 1и обладают значительными по амплитуде отрицательными значениями на протяжении всего газоразрядного промежутка. При этом вид полярных диаграмм свидетельствует о наличии сильной анизотропии ФРЭ и об отсутствии существенной релаксации пучка в плазме разряда. С увеличением разрядного тока при некотором значении / пороговым образом включаются механизмы релаксации пучка. Соответствующий режим для / = 0,5 А представлен на рис.64, а, б. Видно, что по мере удаления от катода (0 z 2 мм) отрицательные значения Ги (а = 0) уменьшаются по абсолютной величине вплоть до полного исчезновения, а средняя энергия электронов пучка и его дисперсия меняются незначительно. Сравнение с полярными диаграммами рис.64, б указывает на то, что в бесстолкновительной плазме, пронизываемой интенсивным пучком, первоначально протекает процесс релаксации направления импульса. При последующем удалении зонда от катода наблюдается резкая энергетическая релаксация слабо анизотропной ФРЭ и пучок не доходит до анода. Кривые 1и практически не зависят от ориентации зонда и транс формируются к платообразному виду. Совместный анализ вида 1и и полярных диаграмм показывает, что при І Ґ и (z 2 ММ), несмотря на отсутствие парных столкновений, протекает процесс изотропизации пучковых электронов при незначительных потерях энергии (е 2эВ), а затем уже энергетическая релаксация слабоанизотропного пучка (2 z 3 мм).
Принципы магнитной диагностики кнудсеновской анизотропной плазмы с поверхностной ионизацией
Для изотропной функции распределения величина Ги не должна зависеть от ориентации плоского зонда в плазме. Для анизотропной ФРЭ у Ги появляются отрицательные значения. На рис.62, а, б представлена трансформация расчетных Iv (а = 0) согласно (9) и полярных диаграмм направленного движения электронов с изменением степени анизотропии модельной ФРЭ. Здесь в качестве модельной взята функция распределения, описывающая пучок быстрых электронов в максвелловской плазме: где характеристики пучка быстрых электронов определяют параметры: р — степень анизотропии; єо среднюю энергию; у2 — характерную полуширину в пространстве энергий и у, - концентрацию.
Сравнительный анализ 1и и полярных диаграмм показывает, что в процессе изо-тропизации ФРЭ исчезают отрицательные участки на кривых Ги и уменьшаются ее амплитудные значения при неизменной величине средней энергии пучка.
Рассмотрим теперь в бесстолкновительной плазме экспериментальные результаты (рис.63, а, б) аксиальных зависимостей 1Ц и полярных диаграмм направленного движения bэлектронов для плотности разрядного тока ниже критической. Сплошные кривые (а = 0) соответствуют токопринимающей поверхности плоского зонда обращенной к катоду, пунктирные (а = я) — к аноду. Видно, что для (а = 0) кривые 1и обладают значительными по амплитуде отрицательными значениями на протяжении всего газоразрядного промежутка. При этом вид полярных диаграмм свидетельствует о наличии сильной анизотропии ФРЭ и об отсутствии существенной релаксации пучка в плазме разряда. С увеличением разрядного тока при некотором значении / пороговым образом включаются механизмы релаксации пучка. Соответствующий режим для / = 0,5 А представлен на рис.64, а, б. Видно, что по мере удаления от катода (0 z 2 мм) отрицательные значения Ги (а = 0) уменьшаются по абсолютной величине вплоть до полного исчезновения, а средняя энергия электронов пучка и его дисперсия меняются незначительно. Сравнение с полярными диаграммами рис.64, б указывает на то, что в бесстолкновительной плазме, пронизываемой интенсивным пучком, первоначально протекает процесс релаксации направления импульса. При последующем удалении зонда от катода наблюдается резкая энергетическая релаксация слабо анизотропной ФРЭ и пучок не доходит до анода. Кривые 1и практически не зависят от ориентации зонда и транс формируются к платообразному виду. Совместный анализ вида 1и и полярных диаграмм показывает, что при І Ґ и (z 2 ММ), несмотря на отсутствие парных столкновений, протекает процесс изотропизации пучковых электронов при незначительных потерях энергии (е 2эВ), а затем уже энергетическая релаксация слабоанизотропного пучка (2 z 3 мм).
Отметим, что протяженность этапа изотропизации /, интенсивного пучка электронов в бес-столкновительной плазме превышает длину последующего этапа энергетической релаксации l. Поскольку указанные процессы происходят на расстояниях, меньших длины пробега электронов /0, то объяснить их можно только взаимодействием пучка электронов с колебаниями плазмы.
Оценим объемную плотность энергии колебаний W, необходимую для осуществления изотропизации моноэнергетичного пучка электронов на наблюдаемой в бесстолкнови тельной плазме длине, и величину эффективного сечения электрон-плазмонного «взаимодействия» ае-Рі- Будем считать, что взаимодействие электронов с волнами сходно с квазиупругими соударениями частиц, и все плазмоны обладают одинаковой энергией йсо0. Для этого воспользуемся связью между эффективной частотой соударений \eff = vjli и плотностью энергии W при изотропно распределенных колебаниях [132]: где (o0 = -у4itnt e2lm, VQ = 2є0/т, VPH фазовая скорость волн. Полагаем Vph vo Результаты расчетов ое_р1 = йсо0 / Wli и W приведены в табл.4. Видно, что для рНе = 0,5Тор плотность энергии колебаний FT »1,2 эрг-см" (сравни п(е/ 0,5 эрг-см и И0ЕО«2,4 эрг-см-3) и эффективное сечение электрон-плазмонного «взаимодействия» равно ае-р/«Ю"16см"2.
В табл.4 сравниваются значения порогового тока развития гидродинамической неустойчивости [132] Ihd и экспериментальные значения критического тока / . Отдельно приведены длины изотропизации /,- (аналог гидродинамической стадии [93]) и последующей релаксации пучка по энергии к состоянию с платообразной ФРЭ /е (аналог кинетической стадии), а также значения плотностей энергии тепловых ntet и быстрых л0є0 электронов для
Таким образом, соотношение 10/Х 5 может служить пороговым критерием энергетической релаксации пучка в бесстолкновительной плазме.
На рис.65 представлена зависимость полной длины энергетической релаксации пучка Lz =// +/6 от длины ленгмюровской волны X. Видно, что в широком диапазоне параметров величина Le хорошо апроксимируется линейной зависимостью Ьъ « 5Х. Если длина разрядного промежутка d ,е« 5Х, то релаксация пучка по энергии отсутствует.
Полученный результат был многократно подтвержден при исследовании плазменных объектов с различной природой анизотропии ФРЭ, в частности, при исследовании кинетической неустойчивости распадающейся низкотемпературной плазмы [135], при этом установленный нами пороговый критерий релаксации ФРЭ представлен в следующем виде:
Таким образом, установленный экспериментальный критерий энергетической релаксации анизотропной функции распределения электронов носит универсальный характер вне зависимости от причин порождающих анизотропию.
