Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 12
Глава 2. Получение положительно и отрицательно заряженных пылевых частиц 26
2.1. Расчеты методом Монте-Карло 27
2.2. Сравнение результатов моделирования с расчетом, проведенным по аналитическому выражению для тока термоэмиссии 31
2.3. Экспериментальное определение электрического заряда нагретых пылевых частиц 33
2.3.1. Экспериментальная установка 33
2.3.2. Обработка результатов эксперимента и их обсуждение 35
2.4. Получение отрицательно заряженных пылевых частиц 37
2.4.1. Описание экспериментальной установки 37
2.4.2. Измерение тока эмиссии электронов 40
2.4.3. Измерение заряда и времени пролета пылевой частицы в пучке 41
2.5. Основные результаты и выводы 43
Глава 3. Пылевые структуры в ядерно-возбуждаемой плазме, образованной источником ионизирующего излучения 252Cf при давлении буферного газа выше атмосферного 45
3.1. Эксперимент 46
3.2. Определение плотности энерговклада в единицу времени источника ионизирующего излучения 252Cf в газовую среду 52
3.2.1. Экспериментальная установка 52
3.2.2. Потери энергии осколков деления 55
3.2.3. Определение толщины слоя источника осколков деления 252Cf. 57
3.2.4. Плотность энерговклада в единицу времени осколков деления 252Cf в газовую среду 60
3.2.5. Плотность энерговклада в единицу времени альфа-частиц в газовую среду 62
3.3. Обсуждение результатов 63
3.4. Основные результаты и выводы 66
Глава 4. Пылевые структуры в плазме, создаваемой пучком протонов ускорителя ЭГ-2,5 67
4.1. Эксперимент 67
4.1.1. Экспериментальная установка 67
4.1.2. Экспериментальные ячейки 68
4.2. Результаты экспериментов 70
4.2.1. Экспериментальная ячейка цилиндрической формы 70
4.2.2. Компактная пылевая структура. Ячейка с горизонтальными электродами 73
4.2.3. Экспериментальная ячейка кубической формы 73
4.2.3.1. Фоновое движение пылевых частиц 73
4.2.3.2. Спиральные вихри 75
4.2.3.3. Пылевой тор 77
4.2.3.4. Плотные вихревые облака и кольца при малых давлениях буферного газа 78
4.2.3.5. Пространственно-временная эволюция плотного пылевого облака 79
4.2.3.6. Структуры в приосевой области пучка 83
4.2.3.7. Пылевой кристалл 88
4.3. Обсуждение результатов 94
4.4. Основные результаты и выводы 95
Заключение 96
Список используемых источников 99
- Сравнение результатов моделирования с расчетом, проведенным по аналитическому выражению для тока термоэмиссии
- Измерение заряда и времени пролета пылевой частицы в пучке
- Плотность энерговклада в единицу времени осколков деления 252Cf в газовую среду
- Плотные вихревые облака и кольца при малых давлениях буферного газа
Введение к работе
Актуальность работы
Пылевые частицы с характерными размерами от сотых долей микрона до десятков микрон широко распространены в природе. Они в значительных количествах присутствуют в земной атмосфере, в ближнем и дальнем космосе, участвуют в образовании газопылевых облаков, входящих в состав звездных систем, туманностей и галактик.
В технологических установках, использующих плазменные процессы, присутствие пылевых частиц часто играет негативную роль. Поэтому в настоящее время ведутся интенсивные поиски путей, устраняющих вредное воздействие пылевых частиц, в частности, в установках термоядерного синтеза. С другой стороны, изучение поведения пылевых частиц в плазме может привести к разработке новых технологий, в которых пылевой компоненте отводится главная роль. Фундаментальные исследования пылевой плазмы и разработка основ технологического использования плазменно-пылевых структур относятся к актуальным проблемам физики [1]. Самоорганизация пылевой компоненты в плазме, содержащей специально внедренные частицы с микронными размерами, вызьшает в настоящее время растущий интерес [2]. Количество публикаций по проблемам пылевой плазмы в научной печати возрастает от года к году. Это объясняется как необычными свойствами пылевой плазмы, так и возможностями проведения экспериментов, в которых можно визуально наблюдать процессы, приводящие к образованию упорядоченных структур жидкостного или кристаллического типа, и изучать их свойства. Эта среда, кроме плазменных частиц - электронов, ионов и нейтральных атомов, содержит специально внедренные твердые частицы с характерными размерами, лежащими в микронной области. Обычно подвижность электронов в плазме значительно превышает подвижность положительных ионов, частицы приобретают отрицательный электрический заряд, который по абсолютной величине может достигать сотен, тысяч и даже десятков тысяч единиц заряда электрона. Наступает сильное взаимодействие между пылинками - плазма становится неидеальной по пылевой компоненте. Пылевые частицы, постоянно подвергающиеся воздействию плазменных частиц, образуют открытую систему. Сильное взаимодействие между пылинками и открытость системы создают необходимые условия для самоорганизации пылевой компоненты в упорядоченные структуры жидкостного и даже кристаллического типа.
В растущем потоке работ по физике пылевой плазмы лишь весьма ограниченное число посвящено процессам, происходящим в создаваемой внешним ионизатором плазме при внедрении в нее четвертой компоненты - пылевых частиц. Особый научный и практический интерес вызывают явления, происходящие в ядерно-возбуждаемой пылевой плазме, т.е. плазме, образованной ядерными частицами (бета- и альфа-частицами, у-квантами, протонами, дейтронами, тритонами, осколками деления ядер и др.), возникающими в результате спонтанного распада радиоактивных нуклидов или ядерных реакций.
Цель работы заключается в разработке экспериментальных методов получения плотных упорядоченных пылевых структур в ядерно-возбуждаемой плазме и изучении их основных физических свойств (скорости движения пьшевых частиц, их концентрация, геометрические размеры структур, их фрагментация, изменение поведения структур во времени при неизменных внешних параметрах и отклик структур на их изменение).
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи.
Разработаны методы получения заряженных пьшевых частиц нагреванием, облучением электронами, воздействием плазменных частиц в ядерно-возбуждаемой плазме и экспериментально изучены механизмы приобретения ими как положительного, так и отрицательного заряда.
Спроектированы и созданы экспериментальные ячейки для исследования поведения пьшевых структур в ядерно-возбуждаемой плазме, образованной источником ионизирующего излучения 252Cf.
Проведены эксперименты по прохождению осколков деления 252Cf через вещество и расчеты плотности энерговклада в единицу времени осколков деления и альфа частиц в газопылевую среду.
Экспериментальным путем получены и исследованы основные свойства пьшевых структур в ядерно-возбуждаемой плазме.
Сделаны необходимые оценки значений физических величин (скорости движения пьшевых частиц, их концентрация, геометрические размеры структур, изменение поведения структур во времени при неизменных внешних параметрах и отклик структур на их изменение).
Спроектирована и создана экспериментальная установка по исследованию поведения пьшевых структур в плазме, образованной при торможении протонов ускорителя ЭГ-2,5 в буферном газе. Экспериментальным путем получены и исследованы пылевые структуры в плазме пучка протонов.
Разработаны методы получения плотных пылевых облаков, пылевых вихрей и пустот (воидов) в ядерно-возбуждаемой плазме,
Разработан метод получения пылевого кристалла в плазме пучка протонов.
Изучены основные физические характеристики полученных структур (скорости движения пылевых частиц, их концентрация, геометрические размеры структур, их фрагментация, изменение поведения структур во времени при неизменных внешних параметрах и отклик структур на их изменение)
Рассчитана парная корреляционная функция для пылевых частиц, распределение электрического поля в экспериментальной ячейке при различной конфигурации пространственного положительного заряда.
Эти задачи либо решены автором лично, либо в составе группы при определяющем личном участии.
Научная новизна.
Большинство результатов, представленных в диссертационной работе, получены впервые.
Были разработаны и изготовлены узлы экспериментальных установок, изучены условия создания плотных пылевых структур и разработаны методы их получения в двух случаях. В одном из них для создания ионизованной среды использован источник 252Cf, испускающий осколки деления и альфа-частицы. В другом случае эксперименты проводились на протонном ускорителе. Протоны, создавая в газе область с высокой степеныо ионизации, экспериментально моделируют условия, при которых треки осколков деления перекрываются.
Впервые обнаружено образование плотных пылевых облаков из полидисперсных пылевых частиц в ядерно-возбуждаемой плазме инертных газов, образованной источником ионизирующего излучения 252Cf. Получены плазменно-пылевые структуры, содержащие пространственные области, свободные от пылевых частиц. Кроме того, впервые наблюдалось коллективное движение полидисперсных пылевых частиц диоксида церия в плазме, образующейся при торможении пучка протонов, полученного на ускорителе. Наблюдались компактные вихревые структуры, вращающиеся вокруг своей оси, с большим количеством пылевых частиц. Обнаружены также эволюционирующие во времени плотные пылевые облака с резкими границами, и, наоборот, области пространства с концентрацией пылевой компоненты, малой по сравнению с соседними участками.
Впервые обнаружено наличие ближнего порядка в ансамбле монодисперсных макрочастиц и впервые получены устойчивые пылевые структуры в ядерно-возбуждаемой плазме инертных газов.
Впервые в мире в плазме, создаваемой пучком протонов, получен плазменно-пылевой кристалл.
Научное и практическое значение.
Преобразование ядерной энергии в энергию когерентного оптического излучения является одним из важнейших способов ее использования [3]. Ядерно-возбуждаемая плазма инертных газов служит рабочей средой для лазеров с ядерной накачкой. Такая плазма создается ионизирующими частицами, появляющимися в ядерных реакциях (при делении ядер, а также при альфа- и бета-распаде). В настоящее время представляется целесообразным проведение исследований, в которых делящееся вещество в лазерно-активных элементах (ЛАЭЛ) могло бы быть распределено в пылевых структурах, образованных в ядерно-возбуждаемой плазме.
Развитие ядерных и термоядерных технологий требует также изучения поведения пылевых частиц в ядерно-возбуждаемой плазме. Сюда можно отнести разработку нового типа мишеней в экспериментах по ядерной физике или проблему повышения концентрации паров металлов в лазерно-активных смесях. Возникновение пылевых частиц возможно также в лазерно-активных элементах и вблизи стенок термоядерного реактора. Здесь очень важно научиться управлять пылевыми облаками с целью их удаления. А если в будущем удастся создать протяженные пылевые структуры с высокой степенью упорядоченности, то это позволит создать фотовольтаические источники питания [4,40] или лазерно-активные элементы нового поколения. В этих устройствах, основанных на преобразовании энергии деления ядер в оптическое излучение, необходимо обеспечить распространение электромагнитного излучения на достаточно большие расстояния в присутствии в объеме пылевой компоненты, что возможно только при условии ее нахождения в состоянии плазменно-пылевого кристалла. В ЛАЭЛах нового поколения предлагается использовать распределенное по их объему делящееся вещество, содержащееся внутри пылевых частиц с характерным размером в микронной области. В этом случае коэффициент преобразования энергии возрастает почти в 10 раз по сравнению с ЛАЭЛ, в которых делящееся вещество сосредоточенно в пристеночных слоях. В фотовольтаическом источнике питания также предлагается распределить радиоактивную пылевую компоненту по всему объему источника питания таким образом, чтобы газопылевая среда была оптически прозрачна для прохождения излучения до фотовольтаического элемента, который эффективно преобразует энергию излучения в электроэнергию.
Изучение процессов, происходящих в ядерно-возбуждаемой плазме при наличии пылевой компоненты, имеет важное научное значение. Оно необходимо для проверки теоретических моделей такой плазмы и их развития. Кроме того, проведение исследований поведения пылевых частиц в плазме, создаваемой продуктами ядерных реакций, дает новые сведения о способности пылевой компоненты к самоорганизации.
Положения и результаты, выносимые на защиту.
Методы получения заряженных пылевых частиц нагреванием, облучением электронами, воздействием плазменных частиц в ядерно-возбуждаемой плазме.
Методы получения плотных пылевых облаков, пылевых вихрей и пустот (воидов) в ядерно-возбуждаемой плазме.
Методы получения плотных пылевых облаков, пылевых вихрей и волн в пылевых структурах, а также быстропротекающих процессов в плазме пучка протонов.
Методы получения пылевого кристалла в плазме пучка протонов.
Основные физические характеристики полученных структур (скорости движения пылевых частиц, их концентрация, геометрические размеры структур, их фрагментация, изменение поведения структур во времени при неизменных внешних параметрах и отклик структур на их изменение)
Результаты расчета парной корреляционной функции для пылевых частиц.
Достоверность полученных результатов подтверждается: использованием современных средств наблюдения и методов обработки результатов; соответствием расчетных значений физических величин получаемым экспериментальным результатам; воспроизводимостью наблюдаемых структур при повторении условий эксперимента; публикацией основных результатов работы в реферируемых журналах при высокой оценке рецензентов.
Апробация работы.
Полученные результаты и основные положения диссертационной работы докладывались: на международной конференции «Физика экстремального состояния вещества» (Эльбрус 2002); на международной конференции «Физика плазмы и плазменные технологии» (Минск 2003); на международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Эльбрус 2003); на IV Российском семинаре «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (МИФИ, Москва 2003); на всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2004. Петрозаводск 2004; на международной конференции по физике пылевой плазмы (Одесса 2004); на международной конференции «Физика экстремального состояния вещества» (Эльбрус 2005); на научных семинарах по физике неидеальной плазмы в Российской Академии Наук, ГНЦ РФ-ФЭИ, ГНЦ РФ-ТРИНИТИ, ИТЭС РАН, МИФИ, Институте астрономии РАН (ИНАСАН), ИАТЭ, Институте проблем механики РАН, Институте математического моделирования РАН, Радиоастрономической обсерватории РАН (Пущино), ОЦНТ (г.Обнинск).
Публикации
Полученные в диссертации результаты изложены в 24 печатных работах [40-43,46-62,95,96,97].
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников. Содержание работы изложено на 105 страницах, включая 82 рисунка и 2 таблицы. Список используемых источников состоит из 97 наименований.
Краткое содержание диссертации
Во введении изложены актуальность, цель работы, новизна решаемых задач, научное и практическое значение данной работы, положения, которые выносятся на защиту.
В главе 1 дается обзор экспериментальных работ по пылевой плазме газового разряда и ядерно-возбуждаемой плазме.
В главе 2 описываются методики получения положительных и отрицательных зарядов на пылевых частицах. Моделируется процесс зарядки пылевых частиц с помощью ПЭВМ, используя эффект термоэмиссии. Описываются эксперименты по получению заряженных пылевых частиц. Приводится сравнение экспериментальных данных с расчетными.
В главе 3 описываются методы и результаты экспериментального исследования прохождения осколков деления 252Cf через инертный газ. По полученным спектрам прохождения осколков деления через вещество моделируется плотность энерговклада в единицу времени осколков деления и альфа частиц в газопылевую среду. Описываются характерные для ядерно-возбуждаемой плазмы пылевые структуры, зависящие от давления буферного газа и от конфигурации электродов в экспериментальной установке. Рассматриваются реакция пылевых структур на внешнее воздействие (изменение величины приложенного на электроды напряжения) и действующие на пылевые частицы силы.
В главе 4 описывается экспериментальная установка для исследования поведения пылевых структур полидисперсных и монодисперсных пылевых частиц в ядерно-возбуждаемой плазме, образованной при торможении протонов ускорителя ЭГ-2,5 в буферном газе. Приводятся характерные значения основных параметров эксперимента. Описываются пылевые структуры, полученные в плазме, образованной пучком протонов. Исследуется зависимость типа пылевых структур из полидисперсных пылевых частиц от давления буферного газа при постоянном значении приложенного к электроду напряжения. Исследуется пространственно-временная эволюция плотного пылевого облака из полидисперсных пылевых частиц. Исследуются волновые процессы в пылевых структурах, возникающие из-за внешнего воздействия (увеличение тока пучка), или при повышенной концентрации пыли в газопылевой смеси (n
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
Благодарности.
Автор благодарен Чусову Александру Ивановичу и Гуще Михаилу Анисимовичу за изготовление деталей и узлов экспериментальных установок и помощь в проведении экспериментов.
Автор благодарен коллегам: Молоткову Владимиру Ивановичу, Депутатовой Лидии Викторовне, Филинову Владимиру Сергеевичу, Владимирову Владимиру Ивановичу, Буднику Александру Петровичу.
Особая благодарность Дьяченко Петру Петровичу за научное руководство. Автор благодарит Фридмана Алексея Максимовича, Старостина Андрея Никоновича, Гулевича Андрея Владиславовича, Филиппова Анатолия Васильевича и Рыкова Владимира Александровича за полезное обсуждение результатов.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 04-02-97241-р2004наукоград_а, 04-02-08085-офи_а, 05-08-33650-а).
Сравнение результатов моделирования с расчетом, проведенным по аналитическому выражению для тока термоэмиссии
В настоящее время интенсивно исследуется пылевая плазма, создаваемая ВЧ-разрядом в условиях микрогравитации [22, 23]. Типичная схема используемой экспериментальной установки изображена на рис. 1.3. В электрическом поле ВЧ-разряда, созданного этой установкой, формируется сложная пылевая структура. Пыль не заполняет весь объем плазмы: в центральной области разряда образуется пустота (воид) с четко выраженными границами. Также свободны от пылевых частиц области вблизи электродов и стенок разрядной камеры. На периферии вдали от центральной оси разряда частицы совершают конвективное движение. Вблизи оси структура стабильна и не поддерживает конвективного движения. Здесь облако частиц обладает наибольшей упорядоченностью. Частицы располагаются в параллельных электродам слоях. Эта симметрия несколько утрачивается при приближении к внутренней области.
Появление воида объясняется влиянием на пылевую структуру силы ионного увлечения [24-26]. Электрическое поле в разряде направлено от его центра к периферии, поэтому электростатическая сила, действующая на отрицательно заряженную частицу, направлена к центру. Сила ионного увлечения превосходит по величине электростатическую силу, что не только компенсирует ее действие, но и выталкивает пылевые частицы из центральной области плазмы.
Еще одно из направлений по исследованию пылевой плазмы - это получение упорядоченных структур в термической плазме [27-29]. Термическая плазма - это низкотемпературная плазма, характеризуемая равенством температур электронной, ионной и нейтральной компонент. Присутствие в такой плазме примеси (пылевых частиц) может изменить ее электрофизические свойства.
Экспериментальные исследования формирования упорядоченных структур пылевых частиц в термической плазме проводились в практически ламинарном слабоионизированном потоке при температуре плазмы 1700 - 2000 К и атмосферном давлении. Источником формировалась однородная, протяженная по объему, квазинейтральная термическая плазма. В плазму вводились частицы СеОг. Концентрация электронов в экспериментах лежала в диапазоне 109 - 1012 см"3. Пылевые частицы заряжались ионными и электронными потоками, а также за счет термоэлектронной эмиссии. Из-за доминирования эмиссионного процесса пылевые частицы заряжались положительно. Их заряд составлял 10 - 10 единиц зарядов электрона. В отличие от пылевой плазмы в газовых разрядах, получаемой в земных условиях, такая система является однородной и изотропной, следовательно, сила тяжести в данном случае не играет особой роли.
Пространственные структуры пылевых частиц в термической плазме анализировались с помощью измерений парной корреляционной функции, определяемой с помощью лазерного времяпролетного счетчика. Лазерный пучок фокусировался в заданной области плазменной струи, импульсы рассеяния от отдельных частиц регистрировались и преобразовывались фотоприемником в электрический сигнал. Результаты обработки полученных сигналов использовались для расчета парной корреляционной функции.
Полученные результаты сравнивались с результатами, полученными для аэрозольной струи при комнатной температуре. В последнем случае в факел горелки подавался только воздух с частицами СеОг. Такая система моделирует плазму со случайным (хаотическим) пространственным расположением макрочастиц -"газообразную" плазму. Сравнение результатов, полученных в термической плазме при температуре Т « 2170 К и аэрозольной струе при температуре Т » 300 К и концентрации частиц па = 2- 10 см , показало, что они практически не отличаются. Следовательно, в термической плазме присутствует слабоупорядочення "газообразная" пылевая структура. При снижении температуры плазмы до Т = 1700 К и увеличении концентрации частиц до n i = 5-10 см" парная корреляционная функция свидетельствовала о появлении ближнего порядка, характерного для жидкостных структур. Относительно слабая упорядоченность структуры, получаемой в эксперименте, объясняется существенной нестационарностыо системы: за промежуток времени от ввода пылевых частиц в плазму до момента измерения парной корреляционной функции процесс формирования не успевает полностью завершиться. Об этом свидетельствуют расчеты динамики формирования упорядоченных структур пылевых частиц в условиях эксперимента с помощью метода молекулярной динамики [30,31], который предсказывал кристаллизацию пылевой структуры. Относительно слабая упорядоченность структуры, диагностируемой в эксперименте, объясняется нестационарностью системы. За промежуток времени от ввода пылевых частиц в плазму до момента измерения парной корреляционной функции процесс формирования кристалла не успевает завершиться.
Все описанные выше способы получения и исследования пылевой плазмы в земных условиях используются во многих лабораториях мира, но существует еще одно направление по исследованию пылевой плазмы - это исследование пылевых структур в ядерно-возбуждаемой плазме.
Ядерно-возбуждаемая плазма [32] - это плазма, образованная при прохождении продуктов ядерных реакций в веществе, которые создают в своем треке электрон-ионные пары, а также возбуждают атомы и молекулы среды. Таким образом, в области трека, оставленного заряженной частицей с энергией Е, образуется рекомбинационно-неравновесная плазма, сильно неоднородная в пространстве и быстро рекомбинирующая во времени. Число созданных за время торможения электронно-ионных пар N обычно оценивают по соотношению N = E/w, где w - энергетическая цена рождения пары, 25 -40 эВ для газов. Например, один осколок деления атомного ядра с энергией Ё 100 МэВ при полном торможении в газе создает N -3-Ю6 пар ионов на длине пробега, составляющей несколько см при давлении, близком к атмосферному.
Ионизация молекул среды приводит к появлению электронов первого поколения, часть из которых имеет энергию, достаточную для ионизации других атомов. Так образуется спектр электронов, включающий в себя электроны всех последующих поколений. Этот спектр имеет неравновесный характер с немаксвелловским распределением электронов по скоростям. Для ядерно-возбуждаемой плазмы при относительно невысокой интенсивности радиоактивных источников, используемых в лабораторных условиях, характерна существенная пространственно-временная неоднородность, обусловленная не только ее трековой структурой, но и случайным во времени характером ядерных процессов. Приобретение заряда пылевыми частицами в такой плазме является стохастическим процессом, а характерное время изменения заряда определяется интенсивностью распадов в радиоактивном источнике и расстоянием от источника.
Измерение заряда и времени пролета пылевой частицы в пучке
Попадая в трековую область, пылевая частица могла бы приобретать достаточный для кристаллизации пылевой подсистемы заряд от каскадных электронов, имеющих среднюю энергию 100 эВ. Для изучения процесса формирования заряда авторами [35] разработана численная модель, основанная на системе уравнений для решения двумерной задачи пространственной эволюции трека. Результатом расчета является тот факт, что пылинка из одиночного трека захватывает не более 10 электронов. Следовательно, для увеличения заряда пылинки требуется воздействие на нее многих треков. Такое воздействие может быть достигнуто с помощью ускорителя заряженных частиц, в котором плотность потока частиц существенно выше, чем при возбуждении плазмы с помощью 252Cf.
Первый эксперимент с использованием ускорителя заряженных частиц типа КГ-2,5 был описан в работах [41,83]. Ионизирующими частицами в эксперименте являлись протоны с энергией 2 МэВ, ток пучка имел значение 1мкА, пучок имел сечение 15 мм. При отсутствии внешнего электрического поля наблюдалась стратификация пылевой компоненты в неоне, т.е. образовывались области, незаполненные пылевыми частицами.
Из представленного обзора видно, что результаты первых экспериментов в области ядерно-возбуждаемой пылевой плазмы демонстрируют необходимость продолжения научных исследований этого явления. Для настоящей работы выделены следующие главные задачи. Провести эксперименты, имитирующие зарядку пылевых частиц в ядерно-возбуждаемой плазме. Для получения положительных зарядов использовать процесс термоэмиссии. Для зарядки пылевых частиц электронами, использовать электронный прожектор Изучить возможность образования упорядоченных пылевых структур в ядерно-возбуждаемой плазме, образованной осколками деления и альфа-частицами источника ионизирующего излучения Cf при давлениях буферного газа выше атмосферного. Повышение давления должно приводить к увеличению плотности ионизации в газе. Изучить возможность образования упорядоченных пылевых структур в плазме, образованной потоком заряженных частиц ускорителя при наличии внешнего электрического поля. Решению этих задач посвящены следующие главы диссертации. В различных типах пылевой плазмы основную роль в приобретении пылинками электрического заряда играют плазменные частицы - электроны и ионы. Как уже отмечалось главе 1, в результате воздействия на пылинку электронных и ионных токов динамическое равновесие устанавливается при отрицательном по знаку заряде.
Однако, в ядерно-возбуждаемой плазме в большинстве случаев энергии ядерных частиц достаточно, чтобы прострелить насквозь пылевую частицу с радиусом в несколько микрон. В результате она потеряет некоторое число электронов (таблица 1.1) и способна приобрести положительный заряд вследствие вторично-электронной эмиссии. Кроме того, сама пылевая частица может быть радиоактивной и испускать заряженные частицы после ядерных превращений. В последнем случае жесткие электроны, появляющиеся в результате, например, бета-распада, эмитируются самими радиоактивными пылевыми частицами. В плотном газе в процессе зарядки пылевых частиц подавляющую роль играют электроны, появляющиеся в результате ионизации среды. Однако, по мере уменьшения давления газа потери электронов пылевой частицей будут возрастать, и частица может приобрести положительный заряд. Положительный заряд будет приобретаться также пылевой частицей, содержащей делящееся вещество, например, уран или калифорний. Следовательно, заряд частицы может быть получен в результате целого ряда процессов, причем не только его величина, но и знак заряда может меняться.
В физике пылевой плазмы неоднократно поднимался вопрос о получении пылевых структур из положительно заряженных частиц [27,36]. Как уже отмечалось, для получения положительно заряженных частиц требуется очень низкое значение давления плазмообразующего газа. Иначе плазменные электроны очень быстро перезарядят пылинку отрицательным зарядом [35]. Но при малом давлении низка диссипация кинетической энергии пылевых частиц, и, следовательно, уменьшается способность пылевой компоненты к самоорганизации.
К этому вопросу, как уже ясно из сказанного, тесно примыкает вопрос о зарядке пылевых частиц внешними электронами. Поэтому в качестве основных целей этапа работы, результаты которой изложены в настоящей главе, были выделены следующие: провести компьютерное моделирование процесса образования пространственного заряда, экранирующего заряд пылевой частицы; провести экспериментальное исследование в высоком вакууме процессов приобретения заряда пылевыми частицами, испускающими электроны, и частицами, облучаемыми электронами электронного прожектора (для получения положительно заряженных частиц из соображений радиационной безопасности используется явление термоэмиссии); провести расчеты движения электронов в поле пылевой частицы с переменным во времени электрическим зарядом. Современные компьютеры позволяют моделировать процесс зарядки пылевой частицы из первопринципов. Т.е. рассматривать движение электронов в поле заряженной пылевой частицы, заряд которой менялся во времени вследствие электронной эмиссии. Скорости электронов предполагались достаточно большими, чтобы не учитывать их волновые свойства, но достаточно малыми, чтобы пренебрегать релятивистскими эффектами. Рассматриваемые размеры пылевых частиц — 1 мкм и более, т.е. много больше дебройлевской длины волны. где те и е - масса и элементарный заряд электрона, rt{t) - радиус-вектор /-того электрона, Zd - заряд пылевой частицы, Ne — число электронов, находящихся в пространстве вокруг пылевой частицы, rtj (t) - расстояние между электронами, / f j. Начальные условия - координаты вылета электрона с поверхности сферической пылевой частицы, направление его скорости по отношению к поверхностной нормали и время вылета - разыгрывались случайным образом. Система (2.1) решалась численными методами (метод Рунге-Кутта) используя ЭВМ. Для этого была написана программа на языке Object Pascal в среде Delphi 5.0.
Плотность энерговклада в единицу времени осколков деления 252Cf в газовую среду
Как уже отмечалось главе 1, поведение пылевых частиц в плазме активно исследуется в настоящее время [63,64]. Получены кристаллические и жидкостные структуры, облака и воиды, наблюдалась сепарация пылевых частиц по размерам [9,18,]. Одно из интересных с точки зрения практического применения направлений исследования связано с изучением условий, при которых пылевые образования под воздействием внешнего электрического поля, перемещаются в пространстве, сохраняя внутреннюю структуру, и осаждаются на определенные поверхности [42,47,49,96].
Пылевые частицы играют существенную роль в процессах, проходящих в перспективных энергетических установках. Так в квантовых генераторах с ядерной накачкой образующиеся в лазерно-активном элементе пылевые частицы могут ухудшать параметры устройства. С другой стороны, создание пылевого кристалла из микронных топливных частиц позволит получить высокий и равномерный энерговклад продуктов ядерных реакций в среду и сохранить ее оптическую прозрачность.
Известно, что мелкие частицы присутствуют в термоядерных устройствах магнитного удержания плазмы [65,66]. Их происхождение обусловлено взаимодействием плазмы с поверхностью стенок. Например, при разработке проекта ИТЭР (Интернациональный Термоядерный Экспериментальный Реактор) стало очевидно, что для условий больших плотностей потока плазменных частиц образование пылевых частиц представляет серьезную проблему безопасности [67,68]. В случае серьезной аварии, обладая свойством очень высокой мобильности, радиоактивные пылевые частицы могут загрязнять значительные площади. Отсюда основные цели исследований, описанных в данной главе, были сформулированы следующим образом: получение плотных пылевых структур из газопылевой смеси, находящейся под действием ионизирующего излучения Cf и внешнего электрического поля; исследование свойств пылевых структур в зависимости от величины приложенного на высоковольтный электрод напряжения; исследование свойств пылевых структур в зависимости от различной конфигурации электродов; определение плотности энерговклада в единицу времени источника ионизирующего излучения 252Cf в газопылевую среду; анализ сил, действующих на пылевую частицу. Схема экспериментальной установки для исследования пылевых облаков в ядерно-возбуждаемой пылевой плазме, образованной источником ионизирующего излучения 252Cf, представлена на рис.3.1 Установка представляет собой стеклянный цилиндр с дюралевыми фланцами на торцах. В верхний дюралевый фланец вмонтирован катод, служащий заодно и поршнем для очистки от пыли стеклянных стенок экспериментальной ячейки. В нижний фланец вмонтирован анод, на котором размещается источник ионизирующего излучения. Крепление анода к фланцу осуществляется с помощью трубки, в которой просверлены отверстия для впрыска газопылевой смеси. Другой конец трубки подсоединяется к системе вакуумирования и газонаполнения.
Источник Cf типа НК252Д представляет собой диск из нержавеющей стали, рабочая поверхность которого покрыта тонким слоем (1-2 мкм) платины. Калифорний Cf нанесен на подложку и зафиксирован в алюминиевом слое отжигом в восстановительной атмосфере. Ядра калифорния Cf испытывают альфа-распад, при котором испускаются альфа частицы с энергией около 6 МэВ, и спонтанное деление, в результате которого ядро делится на два осколка, примерная суммарная кинетическая энергия которых имеет значение порядка 170 МэВ. Нанесенный на подложку слой калифорния имеет диаметр 7 мм. Очевидно, что использование такой геометрии источника в экспериментальной ячейке с диаметром в несколько см приводит к сильной неоднородности пространственного распределения процессов ионизации атомов среды.
В работах [41,86-94] исследовалось поведение пылевых облаков при давлениях буферного газа ниже атмосферного. В данной работе анализируются результаты исследования пылевых облаков в ядерно-возбуждаемой плазме при давлениях буферного газа выше атмосферного [46]. Для этого экспериментальная установка, использовавшаяся в работе [41], была усовершенствована, что позволило работать с газопылевыми смесями при давлениях до 1200 Торр.
После инжекции газопылевой смеси и подачи напряжения на катод пылевые частицы формировали облако, а не конус, как в работах [41,86-94], хотя характер вихревого движения частиц в облаке остался прежним. Облако имело форму эллипсоида (рис.3.2 а), б)) и располагалось между плоскостями верхнего и нижнего электродов. Облако подсвечивалось лазерным ножом. Рассеянный пылинками свет регистрировался на видеокамеру и записывался с помощью видеомагнитофона. Полученные видеокадры впоследствии оцифровывались и обрабатывались с помощью ЭВМ.
Эксперименты проводились с неоном в интервале давлений от 700 Торр до 1200 Торр. В них изучалось влияние величины разности потенциалов между электродами на поведение пылевых структур. Оказалось, что в неоне при фиксированном значении давления пылевые структуры существуют в ограниченном интервале напряжений. Попытки увеличения времени жизни пылевой структуры за счет плавного увеличения напряжения привели к деформации пылевого облака. Пылевая структура вытягивалась по вертикали и стягивалась по горизонтали. В результате повышение напряжения не увеличило времени жизни пылевого облака, а наоборот сократило. В процессе разрушения пылевое облако уменьшает свой размер, а затем исчезает. Образование, существование и разрушение пылевого облака - довольно продолжительный процесс длительностью несколько минут. При разности потенциалов между электродами, равной 250 В, и давлении 1210 Торр примерно через 2 минуты после инжекции газопылевой смеси формируются границы пылевой структуры. Спустя около 30 с границы становятся резкими. В таком виде структура существует около 6 минут. В течение этого времени структура, уменьшаясь в размере, плавно опускается на нижний электрод.
В экспериментах исследовалось также поведение облака в условиях, в которых поле U и расстояние между электродами d менялись так, чтобы напряженность электрического поля Е оставалась постоянной. Полученные кадры приведены на рис.3.3.
Уменьшение расстояния между электродами приводит к формированию однородного электрического поля в центре ячейки. Т.е. там, где формируется пылевое облако. Но, как видно из рис.3.3 в)-г), близкое расположение друг к другу электродов ограничивает объем, в котором формируется облако. Время жизни пылевых структур уменьшается с изменением расстояния между электродами от 5 до 0,6 см при фиксированной напряженности электрического поля Е, равной 64 В/см. Из рис.3.4 видно, что, чем меньше расстояние между электродами, тем меньше время жизни пылевой структуры и полное время после инжекции газопылевой смеси. С увеличением расстояния между электродами это время увеличивается.
Плотные вихревые облака и кольца при малых давлениях буферного газа
Как уже отмечалось в предыдущих главах, для ядерно-возбуждаемой плазмы, возникающей при торможении продуктов ядерных реакций в веществе, характерна существенная пространственно-временная неоднородность, обусловленная не только ее трековой структурой, но и относительно невысокой интенсивностью радиоактивных источников, используемых в лабораторных условиях [34]. Приобретение заряда пылевыми частицами в такой плазме имеет импульсный характер, а характерное время изменения заряда определяется интенсивностью распадов в радиоактивном источнике и расстоянием от него. Пылевая частица в плазме, создаваемой продуктами ядерных реакций, при наличии внешнего электрического поля находится под воздействием дрейфующих к разным электродам потоков электронов и ионов. Поочередное воздействие этих потоков приводит к сильным флуктуациям электрического заряда пылинки.
Использование для создания ядерно-возбуждаемой плазмы ядерных частиц, полученных на ускорителях, значительно изменяет условия эксперимента [48,50,52,53,56-62,95,97]. Во-первых, пучок ионизирующих частиц обладает малой расходимостью, а, во-вторых, ток пучка можно сделать достаточно большим для того, чтобы треки ионов имели за время своего существования значительное перекрытие. Плазма становится квазиоднородной. Основными целями исследовательской работы, описанной в данной главе, являлись: разработать технические детали экспериментальной установки для работы на ускорителе и изготовить ее основные элементы; провести измерения на ускорителе ФЭИ типа ЭГ-2,5; исследовать свойства пылевых структур; провести анализ сил, действующих на пылевую частицу в плазме, создаваемой пучком протонов; попытаться получить пылевой кристалл в ядерно-возбуждаемой плазме, создаваемой пучком протонов ускорителя ФЭИ типа ЭГ-2,5. Эксперименты проводились на электростатическом ускорителе ЭГ-2,5 в ГНЦ РФ -ФЭИ. Схема экспериментальной установки изображена на рис.4.1. Сепарированный, мопоэнергетичный, горизонтальный пучок протонов с энергией 2 МэВ через закрытое тонкой титановой фольгой окно диаметром 12 мм направлялся внутрь экспериментальной ячейки. Ток пучка протонов поддерживался на уровне / = 1 мкА. В некоторых экспериментах ток пучка варьировался в пределах от 0,25 до 5 мкА.
В экспериментах использовались два типа экспериментальных ячеек. Первая из них цилиндрической формы была изготовлена из плексигласа. Для наблюдения за пылевыми структурами на боковой поверхности цилиндра герметично закреплялось стеклянное окно размерами 37x12 мм . Другая экспериментальная ячейка имела форму прямоугольного параллелепипеда с основанием 16x16 см и высотой 12 см. Боковые грани ячейки являлись стеклянными окнами, через которые осуществлялась подсветка исследуемого объема лазерным лучом и велось наблюдение за поведением пылевых. Ячейки подсвечивались сформированным цилиндрической линзой плоским лазерным лучом с перетяжкой, изменяемой с помощью диафрагмы от ЮОмкм до 200мкм. Рассеянный частицами лазерный свет с помощью ПЗС-телекамеры переводился в видеоизображение. Перемещая лазер и телекамеру, можно было наблюдать различные участки пространства внутри ячеек. Пучок протонов вводился внутрь ячейки через титановую фольгу и диафрагму диаметром 8 мм. При прохождении через фольгу протоны теряли часть своей энергии (0,5 МэВ) и разогревали ее до 150 С.
Заземленная титановая фольга играла роль опорного электрода. Внутри экспериментальной ячейки на расстоянии 7 см от него располагался высоковольтный электрод. Этот электрод выполнял три основных функции. Во-первых, он создавал в объеме экспериментальной ячейки электрическое поле при подаче на него постоянного потенциала положительной или отрицательной полярности. Во-вторых, с его помощью измерялся ток протонов в откачанной экспериментальной ячейке. Наконец, в заполненной газом ячейке он использовался в качестве зонда для оценки плавающего потенциала плазмы [37]. Для исследуемых газов (Не, Аг, Кг, Хе) плавающий потенциал U/ без приложенного внешнего электрического поля лежал в интервале -0,5 + -0,4 В. Заряд пылевой частицы q оценивался по формуле: где С - емкость пылинки, В экспериментах использовались полидисперсные частицы из диоксида церия со средним диаметром 1 мкм. Рассчитанные по (4,1) заряды пылинки среднего диаметра лежали в интервале 140 +170 единиц зарядов электрона. Знак заряда -отрицательный. Средняя масса частиц -3,8-10" г. Кроме того, в эксперименте также использовались калиброванные частицы из меламинформальдегида диаметрами d =1,01, 1,75, 3,4,82 и 5,5 мкм.
Газопылевая смесь создавалась с помощью импульсного воздействия потока исследуемого газа, поступающего из дозатора с фиксированным объемом. Этот поток направлялся в контейнер с сетчатым дном, в который помещались исследуемые частицы. Кроме того, в кубической экспериментальной ячейке была предусмотрена возможность сброса пылевых частиц из контейнера, закрепляемого внутри ячейки, над пучком протонов. Перед заполнением газом экспериментальная ячейка откачивалась вакуумным насосом до давления остаточного газа порядка 10"6 Торр с целью устранения влияния остаточного газа на поведение пылевых частиц, главным образом во избежание потерь электронов на молекулах кислорода. Давление газа в экспериментах менялось от единиц до сотен Торр. Использовались газы: Не, Ne, Аг, Кг, Хе и воздух.
