Пучково-плазменный разряд в плотной газовой среде и сильном магнитном поле, его особенности и возможные применения
Представлены в обобщающем виде результаты экспериментального исследования параметров пучково-плазменного разряда в плотной газовой среде, локализованной в вакуумном пространстве, и сильном магнитном поле. Рассмотрены особенности процесса образования плотной плазмы, ее нагрева, а также возможного при...
Saved in:
| Date: | 2010 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17334 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Пучково-плазменный разряд в плотной газовой среде и сильном магнитном поле, его особенности и возможные применения / Е.И. Скибенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 4. — С. 219-225. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859876813335953408 |
|---|---|
| author | Скибенко, Е.И. |
| author_facet | Скибенко, Е.И. |
| citation_txt | Пучково-плазменный разряд в плотной газовой среде и сильном магнитном поле, его особенности и возможные применения / Е.И. Скибенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 4. — С. 219-225. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Представлены в обобщающем виде результаты экспериментального исследования параметров пучково-плазменного разряда в плотной газовой среде, локализованной в вакуумном пространстве, и сильном магнитном поле. Рассмотрены особенности процесса образования плотной плазмы, ее нагрева, а также возможного применения.
Наведено в узагальненому вигляді результати експериментального дослідження параметрів пучково-плазмового розряду в щільному газовому середовищі, локалізованому у вакуумному просторі, і сильному магнітному полі. Розглянуто особливості процесу утворення щільної плазми, її нагрівання, а також можливого використання.
The paper presents the generalized results of experimental investigations on the parameters of a beam-plasma discharge in the dense gaseous medium localized in the vacuum space and high magnetic field. The peculiarities in the process of dense plasma formation, its heating and possible application are under consideration.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:51:27Z |
| format | Article |
| fulltext |
ДК 533.951
ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЙ РАЗРЯД В ПЛОТНОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЕ
И СИЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ, ЕГО ОСОБЕННОСТИ
И ВОЗМОЖНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Е.И. Скибенко
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина
E-mail: Ykovtun@kipt.kharkov.ua
Представлены в обобщающем виде результаты экспериментального исследования параметров пучково-
плазменного разряда в плотной газовой среде, локализованной в вакуумном пространстве, и сильном маг-
нитном поле. Рассмотрены особенности процесса образования плотной плазмы, ее нагрева, а также возмож-
ного применения.
ВВЕДЕНИЕ
Из ранее опубликованных работ [1-15, 25] по про-
блеме пучково-плазменного взаимодействия следует,
что параметры пучково-плазменного разряда (ППР) и
интенсивность пучково-плазменного взаимодействия
(ППВ) в значительной мере могут зависеть от пара-
метров электронного пучка (уровня мощности, вели-
чины отношения IIνν⊥ , формы пучка − сплошная
или полая, степени и частоты его модуляции), маг-
нитного поля (его конфигурации, напряженности,
градиента), давления нейтрального газа, пространст-
венного распределения плотности плазмы n(r) и др.
Конечно, исследование влияния таких параметров
разряда, как напряженность магнитного поля при
выполнении условия ωce / ωp ≥ 1, высокие давления
газовой среды, с которой взаимодействует электрон-
ный пучок, требовали достаточно высокого уровня
магнитных и вакуумных технологий. Такой уровень
физики и техники получения сильных магнитных
полей и высокого вакуума при значительных газовых
нагрузках (потоки газа от 10 до 103 нейтр.·см3/ с) был
достигнут в шестидесятые годы прошлого столетия в
криогенно-плазменной лаборатории Р-3 ХФТИ, соз-
данной в 1958 г. профессором Е.С. Боровиком, 95-
летие со дня рождения которого отмечается в этом
году. Все исследования по физике плазмы, в том чис-
ле исследования по созданию электронно-горячей
плазмы высокой плотности, проводились при доста-
точно широком использовании достижений физики и
техники низких (криогенных) температур для обес-
печения высоких параметров плазменного экспери-
мента по напряженности магнитного поля, вакууму и
плотности газовых сред, локализованных в простран-
стве, необходимых для проведения экспериментов по
пучково-плазменному взаимодействию.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2010. № 4.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (7), с. 219-225. 219
В настоящей работе была поставлена задача экспе-
риментального исследования возможности получения
и нагрева плазмы плотностью 1014…1015 см-3 пучковым
методом. В пределах этого требовалось: 1) получить
электроногорячую плазму с температурой несколько
килоэлектронвольт в магнитном поле пробочной кон-
фигурации; 2) исследовать условия ее образования и
нагрева, ее пространственные и другие характеристи-
ки; 3) выяснить, какая доля энергии пучка передается
плазме в области высоких плотностей плазмы и силь-
ных магнитных полей; 4) выяснить возможность при-
менения пучково-плазменного разряда (взаимодейст-
вия) в развитии магнито-плазменных сепарационных
технологиях, направленных на укрупненное разделе-
ние отработанного ядерного топлива (ОЯТ) и радиоак-
тивных отходов (РАО); 5) кроме того, сформировать
аппаратно-экспериментальную базу с использованием
низких (криогенных) температур для преодоления
экспериментальных трудностей, связанных с получе-
нием сильных магнитных полей (до 7 Тл в пробке),
плотных газовых мишеней (до 1016 см-3), высокопроиз-
водительных средств откачки (~105 л/с), сильноточных
электронных пучков (~10 МВт) и т.д.
1. ФОРМИРОВАНИЕ АППАРАТНО-
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БАЗЫ
Во введении были указаны необходимые для
достижения поставленной цели величины напря-
женности магнитного поля (импульсного − до 10 Тл,
стационарного − до 7 Тл), плотности (~1016 см-3)
стационарных и импульсных газовых потоков, ло-
кализованных в высоковакуумном пространстве,
производительности откачных средств (до 105 л/с),
расположенных в непосредственной близости от
источников интенсивного газовыделения, мощности
электронного пучка (~10 МВт, до 100 кВ, до 100 А).
Перечисленные вопросы (проблемы) решались сле-
дующим образом.
1.1. Проблема магнитного поля была решена
оптимизацией внешней геометрии соленоидов, их
внутреннего построения и условий теплосъема. Ока-
залось, что оптимум внешней геометрии соленоида
достигается при отношении α/β=1,63 и β(α2-1)=const,
где α=2a2/2a1; β=2b/2a1; a1 – внутренний радиус со-
леноида; a2 – его наружный радиус; b – полудлина.
Оптимум внутреннего построения соленоида требу-
ет межслойных каналов высотой 0,5…1 мм. Опти-
мум по теплосъему достигается при использовании
криогентов при температуре T<Tкип, когда криогент
представляет собой шугообразную смесь, т.е. смесь
жидкой и твердой фаз. Катушки охлаждались либо
жидким водородом, либо жидким азотом.
1.2. Эффективный ввод рабочего вещества в
количестве 0,1…1 л/с в ограниченную область взаи-
модействия осуществлялся с помощью сверхзвуко-
вой струи нейтрального газа (Ar или H2) с угловой
расходимостью 1…2°, имеющей резкую границу
мишень-вакуум (dn0/dr = 5·1014 част./см3·см).
mailto:Ykovtun@kipt.kharkov.ua
1.3. Основу вакуумной откачки установки пуч-
ково-плазменного разряда составляли криогенные
насосы. Водородный конденсационный насос про-
изводительностью 2·104 л/с по азоту предназначался
для предварительной откачки установки перед
включением электронной пушки и охлаждением
магнитных катушек. Для откачки сверхзвуковой
струи использовался конденсационный насос произ-
водительностью по Ar 5·104 л/с. Охлаждался насос
либо жидким водородом (струя Ar), либо жидким
гелием (струя H2).
220
1.4. Электронная пушка располагалась за проб-
кой в неоднородном магнитном поле. Изменяя угол
наклона катода и анода пушки относительно оси
магнитной системы, а также другие ее параметры
(d – расстояние анод-катод, γ=Hmax /Ha, где Hmax –
поле в пробке, Ha – поле в области анода), можно
регулировать отношение поперечной составляющей
энергии пучка к продольной. Максимальные пара-
метры электронного пучка в эксперименте были
следующие: ток 90 А, энергия 72 кВ, длительность
импульса 200…400 мкс, плотность тока 4,6·106 А/м2,
импульсная мощность 6,5 МВт, энергосодержание
2,6 кДж, диаметр пучка 4…5 мм.
1.5. Для диагностики образовавшейся в пучко-
во-плазменном разряде плотной высокотемператур-
ной плазмы использовались различные методики и
средства: СВЧ-зондирование на нескольких часто-
тах (λ=30, 8 и 4 мм), активная и пассивная корпус-
кулярная диагностики, калиброванные электриче-
ские зонды (Ленгмюра), диамагнитные зонды, рент-
геновская методика, термозонды и криогенные ка-
лориметры, СВЧ-приемники прямого усиления с
набором предельных волноводов на длине волны
λ=30, 8 и 4 мм и на основе антимонита индия в суб-
миллиметровой области спектра.
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ОБРАЗОВАНИЯ ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ
МЕТОДОМ ППР
В эксперименте производилось изучение пара-
метров и условий образования плазмы с плотностью
1013…1015 см-3 в магнитной ловушке пробочной
конфигурации (Рис.1) при инжекции в нее элек-
тронного пучка и взаимодействии его с нейтраль-
ным газом. Определены зависимости времени Δτ
нарастания плотности плазмы (Рис.2) и времени τсущ
ее существования (Рис.3) от параметров пучково-
плазменного разряда, таких, как ток Ie и энергия Ee
электронного пучка, напряженность H0 магнитного
поля в центре ловушки, плотность n0L нейтрального
газа в струе, соотношение δ поперечной составляю-
щей энергии к продольной (⊥E IIE IIEE /⊥=δ ).
Рис.1. Схема экспериментальной установки ППР:
1 – электронная пушка; 2,3 – пояса Роговского;
4 – СВЧ–интерферометр; 5 – газовая мишень;
6 – магнитная система; 7 – цилиндр Фарадея,
совмещенный с калориметром
0 2 4 6 8 10 12 1
0
10
20
30
40
4
2
1
Ie, A
H , êÝa
b
0 2 4 6 8 10
10
100
Δτ,ì êñ
Δτ,ì êñ
1
2
aа
б
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
0
10
20
30
40
d
E ,êýÂ
0 2 4 6 8
0
5
10
15
20
25
ñ
e
2
1
Δτ,ì êñ
Δτ,ì êñ
n0 ×10-14,ñì -3
в
г
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0
10
20
30
40
50 e
Δτ,ì êñ
E /E , %
д
⊥ ||
Рис.2. Зависимость времени образования плазмы от
параметров разряда: тока пучка (a); напряженно-
сти магнитного поля (б); плотности нейтрального
газа (в); энергии пучка (г) и поперечной составляю-
щей энергии электронного пучка (д)
Установлено, что времена образования плотной
плазмы в большинстве случаев намного меньше вре-
мени инжекции, составляя в среднем 5…30 мкс, и
уменьшаются с увеличением тока электронного пуч-
ка, плотности нейтрального газа и поперечной со-
ставляющей энергии электронов пучка. С изменени-
ем величины магнитного поля от 0,5 до 15 кЭ это
время практически не изменяется. Измеренная вели-
чина скорости ионизации ((2…8)·10-8 см3/с) соответ-
ствует энергии электронов плазмы, производящих
ионизацию нейтрального газа, около 20…40 эВ, что
подтверждено также диамагнитными и СВЧ-
измерениями. Наряду с исследованием условий обра-
зования аргоновой плазмы производилось исследова-
ние процесса создания водородной плазмы. Качест-
венно зависимости Δτ = f(H0, n0L) для H2 повторяют
аналогичные зависимости для Ar плазмы. Основное
различие заключается в том, что для достижения ус-
ловий экспоненциального роста плотности водород-
ной плазмы требовались токи электронного пучка в
3-4 раза выше, чем для Ar, что находится в соответст-
вии с величинами сечений ионизации электронами Ar
и H2. Измерения плотности плазмы в зависимости от
тока электронного пучка позволили оценить энерге-
тические затраты на образование плотной плазмы в
условиях пучково-плазменного разряда. Оказалось,
что на создание аргоновой плазмы плотностью
6…8·1014 см-3 требуются удельные затраты мощности
≤ 100 Вт/ см3. Для водородной плазмы эти затраты
возрастают в 3-4 раза соответственно величинам се-
чений ионизации. Максимально полученная в экспе-
рименте плотность плазмы составляет 2·1015 см-3
(Рис.4). Из приведенных зависимостей следует, что в
исследуемом диапазоне параметров разряда достига-
ется 100% ионизация плазмы. При этом время суще-
ствования плотной плазмы в несколько раз превосхо-
дит время инжекции электронного пучка и растет с
увеличением температуры. При значениях плотности
нейтрального газа n0L = (1…3)·1015 см-2 величина τотс
достигает максимального значения. Именно при этих
значениях n0L реализуются наиболее благоприятные
условия для образования плотной плазмы (Δτ – ми-
нимально, τсущ – максимально) при данных условиях
эксперимента. При импульсной мощности электрон-
ного пучка We≥50 кВт достигается не только 100%
степень ионизации аргоновой плазмы, но и происхо-
дит образование многозарядных ионов аргона.
221
0 2 4 6 8 10
0
200
400
600
800
á
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
0
200
400
600
800
τ ñó
ù
., ì
êñ
τ ñó
ù
., ì
êñ
n0L, 1014 ñì -2
I , Ae
à
0 2 4 6 8 10 12 14
0
200
400
600
800
τ ñó
ù
., ì
êñ
H0, êÝ
â
Рис.3. Зависимость времени существования плазмы
от параметров разряда: а – плотности нейтраль-
ного газа; б – тока электронного пучка;
в – магнитного поля. Nкр≥7·1013 см-3
Их средняя зарядность в центральном сечении
ловушки достигает Z = 3-4. Исследования попереч-
ного профиля плотности плазмы N = f(r) показали,
что с ростом напряженности магнитного поля
H0>10 кЭ плазма концентрируется в центральной
части разряда, и отношение максимальной плотно-
сти плазмы к средней увеличивается, достигая 4.
При этом наблюдаются значительные градиенты
плотности по всему сечению ловушки. Знание про-
странственного распределения концентрации частиц
плазмы позволило определить полное число частиц
на единицу длины ловушки (~ (5…10)·1015 част./см)
и составить уравнение баланса в активный период
разряда. Его решение показало, что основным видом
потерь плазмы из ловушки является их уход вдоль
магнитного поля. Потери плазмы поперек магнитно-
го поля составили около 10% от суммарных потерь.
1014 1015
1013
1014
1015
Nm, ñì -3Nm, ñì -3
áà
2
1
Nm, ñì -3
n0L, ñì -20 10 20
2
1
â
H0, êÝ
0 5 10 15
2
3
4
I , A
1
e
Рис.4. Зависимость максимальной плотности плаз-
мы от параметров разряда: а – плотности ней-
трального газа, 1 – E
e=30 кэВ; 2 – 15 кэВ;
H0=5 кЭ; б – напряженности магнитного поля,
1 – n0L= 5·1014 см-2; 2 – 1·1015 см-2; Ee=30кэВ;
в – тока электронного пучка, 1 – Ee=9кэВ;
2 – 15 кэВ; 3 – 22,5 кэВ; 4 – 30 кэВ; H0=5кЭ;
n0L= 8·1014 см-2
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА
НАГРЕВА ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ
МЕТОДОМ ППР
Измерение величины полных потерь энергии в
плотной плазме производилось с помощью чувстви-
тельного криогенного гелиевого калориметра
(3,6·10-3 Вт/см3 испарившегося газа). На Рис.5 пред-
ставлены зависимости коэффициента ослабления
мощности пучка, как функция плотности нейтрально-
го газа и напряженности магнитного поля в центре
ловушки. Видно, что при взаимодействии с плазмой
плотностью 1014…1015 см-3 в сильных магнитных по-
лях (H0 ~ 35 кЭ) электронный пучок может потерять
до 70% своей первоначальной мощности. Величина
коэффициента η растет с увеличением плотности
нейтрального газа и напряженности магнитного поля.
0 1 2 3
20
40
60
à
η,
%
n L 10-15, ñì -2
0
0 10 20 30
0,0
0,5
1,0
η
H , êÝ0
á
Рис.5. Зависимость коэффициента ослабления
мощности пучка от плотности нейтрального
газа (а) и напряженности магнитного поля (б)
Измерения энергосодержания плазмы NT (эВ/см3)
диамагнитными зондами, размещавшимися в средней
а
б
в
а б в
а
б
части ловушки, позволили установить характер зави-
симости энергосодержания плазмы от величины маг-
нитного поля. Было установлено, что нагрев плазмы
сильно зависит от соотношения электронной плаз-
менной частоты и электронной циклотронной часто-
ты (Рис.6).
8 7 6 5 4 3 2 1
10
100
ωOe/ωHe
Te, эВ
Рис.6. Зависимость электронной температуры
плазмы пучково-плазменного разряда от соотноше-
ния электронной плазменной частоты ωOe к элек-
тронной циклотронной частоте ωHe. Np=7·1013 см-3
Важное значение для нагрева плазмы в пробко-
троне имеет наличие поперечной составляющей
энергии у электронов пучка. С увеличением IIEE /⊥=δ
от 6 до 38% энергосодержание плазмы увеличивается
в 8-10 раз в магнитных полях более 30 кЭ и достигает
абсолютных значений 1,5·1018 эВ/см3 при
Np=4·1014 см-3, что соответствует значению
Te=3,75 кэВ. Подтверждением того факта, что в про-
цессе нагрева принимают участие все электроны
плазмы, а не отдельная их группа, явились сравни-
тельные измерения температуры плазмы с помощью
диамагнитных зондов и разработанного СВЧ-метода
[16], основанного на продольном зондировании маг-
нитоактивной плазмы необыкновенной волной с
λ=3 см. Показания обеих методик дают достаточно
хорошее качественное совпадение результатов и под-
тверждают общую тенденцию в поведении электрон-
ной температуры плазмы разряда в зависимости от
напряженности магнитного поля и времени. И также
позволяют считать, что в нагреве плазмы участвуют
все электроны, а не их часть, поскольку дисперсион-
ные свойства плазмы определяются именно всеми
плазменными электронами, а не группой захвачен-
ных ускоренных частиц. Энергосодержание плазмы
определялось с помощью рентгеновской методики
путем сравнения экспериментальных кривых погло-
щения рентгеновского излучения в алюминиевых
фольгах с рассчитанными в предположении максвел-
ловского распределения электронов плазмы по ско-
ростям. В результате были получены зависимости
электронной температуры плазмы от различных па-
раметров разряда (Рис.7). Таким образом, показано,
что энергосодержание плазмы растет с увеличением
напряженности магнитного поля и мощности элек-
тронного пучка. Методом погружения вольфрамовой
мишени в плазму было измерено радиальное распре-
деление интенсивности рентгеновского излучения
плазмы и ее температуры (Рис.8). В зоне пучка уро-
вень излучения максимален и на один-два порядка
величины превосходит собственное излучение плаз-
мы. Это может быть вызвано торможением инжекти-
руемых извне в плазму электронов на мишени. Вне
пучка интенсивность излучения быстро спадает, а
начиная с радиуса r=8 мм вновь подрастает и при
r=16 мм достигает максимума, после чего происходит
спад интенсивности до уровня, определяемого собст-
венным излучением плазмы в отсутствие мишени.
Увеличение интенсивности излучения при r=16 мм
происходит за счет роста температуры плазмы в этом
слое (см. Рис.8,в). Это свидетельствует о нагреве
плазмы вне зоны электронного пучка. Процесс нагре-
ва плазмы сопровождается достаточно мощным СВЧ-
излучением с частотами, лежащими в районе плаз-
менных и верхних гибридных частот, которое реги-
стрировалось приемниками, располагавшимися сна-
ружи плазмы. Излучение носит надтепловой характер
и не имеет выделенной поляризации (одинаково II и
⊥ H). Установлено, что влияние на возбуждение
СВЧ-колебаний и их амплитуду оказывают также
начальные условия инжекции электронного пучка в
магнитную ловушку. С ростом величины отношения
IIEE /⊥=δ происходит увеличение амплитуды ко-
лебаний и температуры плазмы. Мощность пучка при
этом равнялась 3,5 МВт.
10 20 30
0
5
10
15
2
3
1
N
T
10
-1
7 , ý
Â
ñì
-3
H0, êÝ
Рис.7. Зависимость энергосодержания плазмы NT
от напряженности магнитного поля H0.
Np=4·1014 см-3. 1,2 – рентгеновские измерения;
3 – диамагнитный зонд; 1,3 – We=0,6 МВт;
2 – 3,6 МВт
10-1
100
101
102
r, ñì
àJ x, î
òí
.å
ä
0
100
200
á I,
A
ñ
ì
-2
0 1 2
0
1
2
а
б
3
T
e, ê
ýÂ
âв
Рис.8. Радиальное распределение интенсивности
рентгеновского излучения из плазмы (а), плотности
тока электронного пучка (б) и электронной темпе-
ратуры (в) в средней части ловушки для направле-
222
ния зондирования, перпендикулярного движению
сверхзвуковой струи газа
Наряду с нагревом электронов плазмы методами
пассивной корпускулярной диагностики обнаружен
нагрев ионов (Рис.9). Средняя энергия частиц со-
ставляет 100…200 эВ и растет с увеличением на-
пряженности магнитного поля и мощности пучка. В
этом случае величина Ei возрастала до 400 эВ. Наря-
ду с измерением термозондом потока энергии, уно-
симого из плазмы быстрыми нейтральными атомами
(б.н.а.), с помощью анализатора б.н.а. производи-
лось определение их энергетического распределе-
ния. Считая, что распределение ионов плазмы носит
максвелловский характер, можно определить их
температуру, которая по порядку величины согласу-
ется с результатами термозондовых измерений.
Энергосодержание NTi плазмы по ионам составляет
(6…8)·1016 эВ/см3, что более чем на порядок меньше
энергосодержания NTe плазмы по электронам, кото-
рое равняется 1,5·1018 эВ/см3. Величина NTi состав-
ляет 5,3% от значения NTe.
0 5 10 15 20 25 30
0
50
100
150
np=6 1013 см-3
H, кЭ
Ei, эВ
223
b np=3 1013 см-3
0 5 10 15 20 25 30
1
10
U, мВ
H, кЭ
a
0 5 10 15 20 25 30
0
2
4
6
w=wHi
H, кЭ
H, кЭ
Er, кВ/см
d
0 5 10 15 20 25 30
0
5
10
15
20
v
вр.
, см/с 106
c w=wHi
Рис.9. Зависимость амплитуды сигнала термозонда
(a), средней энергии частиц плазмы поперек
магнитного поля (б), расчетных величин скорости
вращения плазмы (в) и напряженности радиального
электрического поля (г) от напряженности
продольного магнитного поля
4. ОБСУЖДЕНИЯ И ВЫВОДЫ
1. Процессы, происходящие при взаимодействии
электронного пучка с локализованной в вакуумном
пространстве газовой мишенью, и приводящие к
образованию плотной и горячей плазмы, можно раз-
делить на два характерных этапа. Первый из них
характеризуется тем, что электронный пучок взаи-
модействует с нейтральным газом, и в результате
ударной ионизации образует первичную плазму
плотностью, меньшей или равной плотности пучка
(около 1010…1011 см-3), степень ионизации которой
мала и составляет ~10-2%. При этом электронный
пучок возбуждает достаточно мощные СВЧ-
колебания вблизи электронной циклотронной часто-
ты подобно [7]. Нагреваясь в полях этих колебаний,
электроны плазмы достигают энергий, необходимых
для ионизации нейтрального газа. Второй этап раз-
вития разряда характеризуется быстрым ростом
температуры электронов плазмы до 20…40 эВ, в
связи с чем нарастает скорость ионизации до
(2…6)·10-8 см3·с-1, и плотность плазмы изменяется
по экспоненциальному закону. Это происходит то-
гда, когда начинают выполняться условия для воз-
никновения длинноволновых пучковых неустойчи-
востей в цилиндрически симметричной, ограничен-
ной плазме [1].
2. Электронный пучок с ≠ 0 и величиной ⊥E
IIEE /⊥=δ ≤ 0,4…0,5 в условиях нормального и
аномального эффектов Допплера [1] возбуждает в
плазме мощные продольные колебания на частотах,
близких к гармоникам электронной циклотронной
частоты, которые лежат вблизи плазменной и верх-
негибридной частот. Поглощение возбуждаемых в
плазме волн происходит на неоднородностях маг-
нитного поля и плотности плазмы. Возможными
механизмами, приводящими к нагреву электронов
плазмы, являются циклотронный резонанс, при ко-
тором поглощение возбуждаемых в плазме колеба-
ний происходит при ω~nωHe(z), и верхний гибрид-
ный резонанс, который характеризуется поглощени-
ем волн, при ω~Ω(r).
a
б
3. Увеличение температуры электронов плазмы
вне зоны электронного пучка можно объяснить воз-
буждением в плазме колебаний с частотами
ω~nωHe(z), 22
Heoe ωω +=Ω , которые распространя-
ясь поперек магнитного поля, затухают в некотором
плазменном слое в результате гибридного резонан-
са, ω~Ω(r).
в
г
4. Увеличение энергосодержания плазмы с рос-
том напряженности магнитного поля может быть
объяснено возбуждением колебаний на частотах
ωHe≤ω~nωHe≤ωоe, которые распространяются вдоль
магнитного поля и поглощаются в области цикло-
тронного резонанса ω~nωHe(z). Поглощение волн
при H=const происходит в диапазоне циклотронных
частот, соответствующих минимальному и макси-
мальному значениям напряженности поля пробко-
трона, т.е. H0 и Hпр. При этом условие поглощения
на кратном циклотронном резонансе n= (ωоe/ωHe)>1
легко удовлетворяется при движении волны вдоль
оси ловушки. Энергия волны идет на ускорение час-
тиц плазмы поперек магнитного поля, что приводит
к эффективному захвату плазмы ловушкой. Таким
образом, с увеличением магнитного поля появляется
возможность нагрева электронов плазмы на гармо-
никах циклотронной частоты с меньшими номера-
ми, вплоть до n=2, в которых заключена большая
часть энергии колебаний.
5. Достижение максимума температуры электро-
нов через несколько десятков микросекунд после
появления характерного СВЧ-излучения можно по-
нять в предположении, что ускорение электронов
происходит стохастически. Для проверки этого про-
ведем сравнение измеренного времени нагрева с ре-
зультатами вычислений на основе [18,19], где произ-
веден учет влияния конечности времени корреляции
электрических микрополей в плазме в рамках квази-
линейного приближения. Плазма с большой ампли-
тудой колебаний рассматривается как набор осцил-
ляций, которые в отдельности когерентны, но вместе
некогерентны. Период времени, в течение которого
электрон с известным значением перпендикулярной
скорости при резонансно-циклотронном ускорении
может находиться в фазе с ускоряющим полем, па-
раллельным магнитному полю через одну область
когерентности ограничен временем дрейфа. Ускоре-
ние до высоких энергий поэтому можно представить
как квазистохастический процесс, при котором от-
дельные этапы – это короткие интервалы циклотрон-
ного ускорения. Из проведенных вычислений следу-
ет, что при (ωоe/ωHe)≤2 и напряженности микрополей
в плазме E > 0,25 кВ/см наблюдается удовлетвори-
тельное согласие экспериментальной и расчетной
величин времени нагрева.
6. Измеренная величина средней энергии ионов
составила около 200 эВ. Возможное объяснение
факта нагрева ионов плазмы может быть связано с
возникновением в разряде радиального электриче-
ского поля [14], приводящего к вращению плазмы,
помещенной в продольное магнитное поле, с равно-
весной круговой частотой ωвр. Относительное дви-
жение различных по заряду и массе компонент
плазмы приводит к неустойчивости плазмы относи-
тельно продольных колебаний вращающейся плаз-
мы и возникновению ионно-циклотронных колеба-
ний с частотами и инкрементами порядка ионно-
циклотронной частоты (ω~ωHi), когда частота вра-
щения становится порядка ωHi. Полагая eU~kT, по-
лучаем напряженность электрического поля Er=eU/r.
Знание величины напряженности электрического
поля Er позволяет оценить частоту ωвр и скорость vвр
вращения плазмы, среднюю энергию ионов. На
Рис. 9,в,г приведены расчетные зависимости скоро-
сти вращения плазмы в скрещенных E
r
-и H
r
-полях
и напряженности радиального электрического поля
от напряженности магнитного поля для случая ωвр≈
ωHi и принятых параметров разряда и установки, что
подтверждает достигнутый эффект нагрева ионов.
5. ВОЗМОЖНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ
1. Изначально задача образования плотной элек-
тронно-горячей плазмы (на основе пучково-
плазменного разряда) связывалась с идеей создания
эффективного ионизатора пучков быстрых ней-
тральных атомов, необходимого для реализации
проекта профессора Е.С. Боровика по разработке
магнитных ловушек большого объема, который в
первоначальном виде в 60-е годы прошлого столе-
тия не был реализован, хотя физико-технические
аспекты разработки такого ионизатора были реали-
зованы в 70-е годы [20, 21]. В последующем подоб-
ная идея нашла воплощение в экспериментах на ус-
тановке “ГОЛ” ИЯФ СО РАН.
2. Разработка и использование новых радиаци-
онных технологий модифицирования материалов
(РТММ) позволяют получать новые материалы и
улучшать их эксплуатационные свойства [22]. Пер-
спективными являются методы, включающие ком-
бинации различных источников частиц, источников
плазмы и концентрированных потоков энергии
(КПЭ) в одной установке, комбинации различных
РТММ [23]. В связи с этим представляется интерес-
ным использование для этих целей плазмы, обра-
зующейся при пучково-плазменном взаимодействии
[24], так как в этом случае в плазме возможно суще-
ствование двух групп ускоренных электронов –
электронов с энергией порядка энергии инжекции
или превышающей ее (сотни килоэлектронвольт) и
термализованных электронов (от нескольких до де-
сяти килоэлектронвольт). При этом следует указать
на следующие аспекты, демонстрирующие преиму-
щества такого применения по сравнению с другими
технологиями: возможность плавной регулировки
параметров воздействия на поверхность металлов
(плотности, температуры, времени существования
плазмы, т.е. воздействия); большая апертура воздей-
ствия; значительная длительность обработки по-
верхности.
3. Анализ результатов проведенных расчетов и
экспериментов показывает, что пучково-
плазменный разряд может быть использован в каче-
стве средства создания сепарационной многокомпо-
нентной плазмы и селективного разделения элемен-
тов и их стабильных изотопов с самовозбуждением
электронно-циклотронных и ионно-циклотронных
колебаний и самостоятельным нагревом электронов
и ионов образуемой плазмы. Существенным досто-
инством данного метода создания плазмы для сепа-
рационных технологий является тот факт, что элек-
тронный пучок от внешнего источника в вакууме и
продольном магнитном поле распространяется
практически без потерь на любые расстояния в пре-
делах выбранных размеров сепарирующих уст-
ройств, т.е. плазма может быть образована в любой
точке транспортного (инжекционного) тракта дли-
ной в несколько метров, а именно, в зоне разделе-
ния. Кроме того, использование физических меха-
низмов, приводящих к самовозбуждению ВЧ-
колебаний, необходимых для создания и нагрева
сепарационной многокомпонентной плазмы, не-
сколько упрощает компоновку и систему сепаратора
и снижает жесткость требований к отдельным его
узлам, в частности, к магнитной системе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Я.Б. Файнберг //Атомная энергия. 1961, т.11,
с.313.
2. И.Ф. Харченко, Я.Б. Файнберг, Р.М. Николаев,
Е.А. Корнилов, Е.И. Луценко, Н.С. Педенко //
Ядерный синтез, дополнение. 1962, т.3, с.1101.
224
225
3. L.D. Smullin, W.D. Getty // J. Appl. Phys. 1963,
v.34, p.3421.
4. I. Alexeff, K. Estabrook, A. Hirose, et al. // Physical
Review Letters. 1970, v.25, №13, p.848-851.
5. Е.Г. Шустин, В.П. Попович, И.Ф. Харченко //
ЖТФ. 1969, т.39, с.993.
6. M. Seidl, P. Sunka // Nuclear Fusion. 1967, №7,
p.237.
7. Е.А. Корнилов, О.Ф. Ковпик, Я.Б. Файнберг и др.
Взаимодействие пучков заряженных частиц с
плазмой. Киев: «Наукова думка», 1965, 36 с.
8. К. Миямото. Основы физики плазмы и управляе-
мого синтеза. М.: «Физматлит», 2007, 424с.
9. Е.А. Корнилов, О.Ф. Ковпик., Я.Б. Файнберг,
И.Ф. Харченко. Взаимодействие пучков заря-
женных частиц с плазмой. Киев: «Наукова дум-
ка», 1965, с. 24-35.
10. А.С. Бакай // ЖЭТФ. 1970, т.59, №7. с.116-127.
11. А.С. Бакай, Е.А. Корнилов, С.М. Криворучко //
Письма в ЖЭТФ. 1970, т.12, №2, с.69-73.
12. Г.П. Березина, Я.Б. Файнберг, А.К. Березин //
Атомная энергия. 1968, т.24, №5, с.465-466.
13. А.Б. Михайловский, В.С. Цыпин // Письма в
ЖЭТФ. 1966, т.3, №5, с.247-250.
14. В.В. Долгополов, В.Л. Сизоненко, К.Н. Степанов
// УФЖ. 1973, т.18, №1, с.18-28.
15. А.Б. Михайловский. Теория плазменных неус-
тойчивостей. М.: Атомиздат, 1970, т.2, 360 с.
16. М.Ю. Бредихин, А.И. Маслов, А.И. Скибенко,
Е.И. Скибенко, И.П. Фомин, В.Б. Юферов
//Теплофизика высоких температур. 1972, т.10,
№6, с.1188-1194.
17. А.Б. Михайловский. Теория плазменных неус-
тойчивостей. М.: «Атомиздат», 1977, т.1360 с.
18. T.H. Stix // Phys. of Fluids. 1964, v.7, p.1960.
19. Ф.Г. Басс, Я.Б. Файнберг, В.Д. Шапиро // ЖЭТФ.
1965, т.49, 329 с.
20. E.I. Skibenko, A.I. Maslov, V.B. Yuferov // Sov.
Phys. Tech. Phys. 1976, v.20, №4.
21. M.Yu. Bredikhin, A.I. Maslov, A.I. Skibenko, et al.
// Sov. Phys. Tech. Phys. 1971, v.16, №4, 544 p.
22. Б.А. Калин // ВАНТ. Серия «Физика радиацион-
ных повреждений и радиационное материалове-
дение». 1998, в.1 (64), 2(68), с.122-124.
23. Б.А. Калин, В.Л. Якушин, В.И. Польский // Изв.
вузов: Физика. 1994, №5, с.109-126.
24. Е.И. Скибенко, В.Б. Юферов // ВАНТ. Се-
рия «Физика радиационных повреждений и радиа-
ционное материаловедение». 1998, в.3(69), 4 (70),
с.187-189.
25. L.D. Smullin // A Review of the Beam Plasma Dis-
charge. Massachusetts, USA. 1980. 21p.
Статья поступила в редакцию 01.06.2010.
BEAM-PLASMA DISCHARGE IN A DENSE GASEOUS MEDIUM AND HIGH MAGNETIC FIELD,
ITS FEATURES AND POSSIBLE APPLICATIONS
E.I. Skibenko
The paper presents the generalized results of experimental investigations on the parameters of a beam-plasma
discharge in the dense gaseous medium localized in the vacuum space and high magnetic field. The peculiarities in
the process of dense plasma formation, its heating and possible application are under consideration.
ПУЧКОВО-ПЛАЗМОВИЙ РОЗРЯД В ЩІЛЬНОМУ ГАЗОВОМУ СЕРЕДОВИЩІ І СИЛЬНОМУ
МАГНІТНОМУ ПОЛІ, ЙОГО ОСОБЛИВОСТІ І МОЖЛИВЕ ВИКОРИСТАННЯ
Є.І. Скібенко
Наведено в узагальненому вигляді результати експериментального дослідження параметрів пучково-
плазмового розряду в щільному газовому середовищі, локалізованому у вакуумному просторі, і сильному
магнітному полі. Розглянуто особливості процесу утворення щільної плазми, її нагрівання, а також можли-
вого використання.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-17334 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:51:27Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Скибенко, Е.И. 2011-02-25T13:36:40Z 2011-02-25T13:36:40Z 2010 Пучково-плазменный разряд в плотной газовой среде и сильном магнитном поле, его особенности и возможные применения / Е.И. Скибенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 4. — С. 219-225. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17334 533.951 Представлены в обобщающем виде результаты экспериментального исследования параметров пучково-плазменного разряда в плотной газовой среде, локализованной в вакуумном пространстве, и сильном магнитном поле. Рассмотрены особенности процесса образования плотной плазмы, ее нагрева, а также возможного применения. Наведено в узагальненому вигляді результати експериментального дослідження параметрів пучково-плазмового розряду в щільному газовому середовищі, локалізованому у вакуумному просторі, і сильному магнітному полі. Розглянуто особливості процесу утворення щільної плазми, її нагрівання, а також можливого використання. The paper presents the generalized results of experimental investigations on the parameters of a beam-plasma discharge in the dense gaseous medium localized in the vacuum space and high magnetic field. The peculiarities in the process of dense plasma formation, its heating and possible application are under consideration. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Плазменно-пучковый разряд, газовый разряд и плазмохимия Пучково-плазменный разряд в плотной газовой среде и сильном магнитном поле, его особенности и возможные применения Пучково-плазмовий розряд в щільному газовому середовищі і сильному магнітному полі, його особливості і можливе використання Beam-plasma discharge in a dense gaseous medium and high magnetic field, its features and possible applications Article published earlier |
| spellingShingle | Пучково-плазменный разряд в плотной газовой среде и сильном магнитном поле, его особенности и возможные применения Скибенко, Е.И. Плазменно-пучковый разряд, газовый разряд и плазмохимия |
| title | Пучково-плазменный разряд в плотной газовой среде и сильном магнитном поле, его особенности и возможные применения |
| title_alt | Пучково-плазмовий розряд в щільному газовому середовищі і сильному магнітному полі, його особливості і можливе використання Beam-plasma discharge in a dense gaseous medium and high magnetic field, its features and possible applications |
| title_full | Пучково-плазменный разряд в плотной газовой среде и сильном магнитном поле, его особенности и возможные применения |
| title_fullStr | Пучково-плазменный разряд в плотной газовой среде и сильном магнитном поле, его особенности и возможные применения |
| title_full_unstemmed | Пучково-плазменный разряд в плотной газовой среде и сильном магнитном поле, его особенности и возможные применения |
| title_short | Пучково-плазменный разряд в плотной газовой среде и сильном магнитном поле, его особенности и возможные применения |
| title_sort | пучково-плазменный разряд в плотной газовой среде и сильном магнитном поле, его особенности и возможные применения |
| topic | Плазменно-пучковый разряд, газовый разряд и плазмохимия |
| topic_facet | Плазменно-пучковый разряд, газовый разряд и плазмохимия |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17334 |
| work_keys_str_mv | AT skibenkoei pučkovoplazmennyirazrâdvplotnoigazovoisredeisilʹnommagnitnompoleegoosobennostiivozmožnyeprimeneniâ AT skibenkoei pučkovoplazmoviirozrâdvŝílʹnomugazovomuseredoviŝíísilʹnomumagnítnomupolíiogoosoblivostíímožlivevikoristannâ AT skibenkoei beamplasmadischargeinadensegaseousmediumandhighmagneticfielditsfeaturesandpossibleapplications |