WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

В главе 1 вводятся основные понятия и описываются особенности удержания неравновесной (средняя энергия электронов >> температуры ионов) плазмы ЭЦР разряда в магнитных ловушках источников МЗИ. Предлагается теоретическая модель, описывающая процессы развития ЭЦР разряда в открытых магнитных ловушках и генерации МЗИ в плазме разряда. Рассматриваются возможные применения построенной модели. Материалы, изложенные в первой главе, опубликованы в [1A, 2A, 10A,14A].

В разделе 1.1 вводятся основные понятия и определения, используемые при описании неравновесной многокомпонентной плазмы ЭЦР разряда. Дается описание основных типов открытых магнитных ловушек, используемых в ЭЦР источниках МЗИ для удержания плазмы: простого пробкотрона и ловушки со встречными полями. Рассматриваются преимущества и недостатки каждой конфигурации.

Основным преимуществом ловушки со встречными полями по сравнению с простым пробкотроном является подавление в ней МГД неустойчивостей плазмы, так как структура ее силовых линий образует конфигурацию магнитного поля с минимумом в центре ловушке. К недостаткам же каспа следует отнести дополнительные потери плазмы через радиальную магнитную пробку, имеющую форму кольца, на периферии ловушки. Эти потери приводят к повышению требуемой мощности накачки, необходимой для поддержания температуры электронов на заданном уровне. Уменьшение этих потерь возможно при увеличении величины магнитного поля в радиальной пробке ловушки.

Здесь также приводится описание процесса удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда в магнитной ловушке. Описывается роль самосогласованного амбиполярного потенциала в удержании плазмы. Обсуждаются процессы и соотношения основных параметров, определяющие распределение потенциала в ловушке источника, приводятся его характерные профили.

В разделе 1.2 описываются классический и квазигазодинамический режимы удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда в открытых магнитных ловушках. Приводятся основные временные характеристики, соотношениями между которыми определяется режим удержания плазмы (для простоты выражения для них приведены для случая простой зеркальной магнитной ловушки). Это время кулоновского рассеяния электронов в конус потерь

,

время ухода ионов из ловушки в результате их собственного теплового движения

и газодинамическое время жизни плазмы, которое для случая прямой зеркальной ловушки может быть записано следующим образом:

.

Здесь R – пробочное отношение, L – длина ловушки, - частота кулоновского рассеяния электронов, - тепловая скорость ионов, ионно-звуковая скорость, Ti и Te – температуры ионов и электронов соответственно, M – масса иона, <z> - средний заряд ионов.

Характерные особенности классического режима удержания плазмы ЭЦР разряда в ловушке источника МЗИ описаны в разделе 1.2.1. Классический режим реализуется в случае не очень больших плотностей плазмы, что соответствует тому, что время кулоновского рассеяния электронов значительно больше газодинамического времени жизни плазмы в ловушке

.

В случае такого режима удержания конус потерь электронов в пространстве скоростей пуст.

В зависимости от соотношения параметров с и Т при классическом режиме удержания может реализовываться различная структура амбиполярного потенциала. В случае, когда, будет формироваться амбиполярный потенциал с «горбиками» в области магнитных пробок, препятствующими уходу ионов. В противном случае, когда, будет реализовываться профиль потенциала, спадающий от центра ловушки к нулю на бесконечности, такая форма потенциала ускоряет уход ионов из ловушки. В этом смысле классический режим можно разделить на два подрежима с различными характерными распределениями потенциала, которые, тем не менее, не имеют принципиальных отличий с точки зрения механизмов, определяющих удержание.

Также в данном разделе описан метод определения времени жизни электронов в ловушке при классическом режиме удержания в простейшем случае, когда учитывается только столкновительный механизм рассеяния электронов. Оно равно:, где ei и ee - частоты электрон-ионного и электрон-электронного рассеяний. Времена жизни ионов в этом случае точно могут быть описаны с помощью системы трансцендентных уравнений, решение которой оказывается очень сложным.

В разделе 1.2.2 приводится описание квазигазодинамического режима удержания плазмы в ловушке. Переход к нему от классического режима происходит при увеличении плотности плазмы (либо с понижением температуры электронов), что связано с увеличением частоты кулоновского рассеяния электронов в конус потерь. Квазигазодинамический режим удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда, в отличие от классического, ранее подробно не исследовался. Это связано с тем, что генерация многозарядных ионов в таком режиме на сегодняшний день была реализована только в условиях стендов, построенных в ИПФ РАН. Переход от классического к квазигазодинамическому режиму удержания плазмы в ловушке происходит при таких значениях плотности и температуры электронов, когда их скорость заполнения конуса потерь в пространстве скоростей оказывается выше, чем скорость выноса плазмы из ловушки. Т.е. выполняется условие. В этом случае конус потерь оказывается заполненным, продольное относительно магнитного поля удержание электронов осуществляется амбиполярным потенциалом, а потери плазмы определяются газодинамическим выносом ионов с ионно-звуковой скоростью.

Описывается метод расчета времени жизни плазмы при квазигазодинамическом режиме ее удержания для произвольной конфигурации осесимметричной открытой магнитной ловушки. Показано, что временя жизни определяется только геометрией магнитной системы, температурой электронов и сортом рабочего газа. Подчеркивается перспективность создания ЭЦР источников МЗИ, использующих данный режим удержания плазмы, с высокой частотой СВЧ накачки и большой эффективной длиной ловушки.

В разделе 1.2.3 проводится расчет границ в плоскости параметров Ne и Tе, разделяющих различные режимы удержания плазмы в ловушке ЭЦР источника МЗИ. Приводится результат расчета, когда эффективная длина ловушки составляет 30 см.

В разделе 1.3 описывается теоретическая модель, построенная для численного анализа процессов многократной ионизации в плазме ЭЦР разряда в магнитной ловушке.

Данная модель является нульмерной и основана на решении нестационарной системы дифференциальных уравнений ионизационного баланса. Разработанная модель позволяет не только исследовать эффективность генерации МЗИ в плазме разряда на стационарной его стадии, но и описывать динамику развития ЭЦР пробоя в ловушке источника. Для корректного описания перечисленных процессов было необходимо учесть основные эффекты, определяющие параметры плазмы на всех этапах развития разряда. Начальная стадия пробоя, когда концентрация плазмы достаточно мала, может быть описана в рамках теории СВЧ пробоя разреженного газа в открытых осесимметричных магнитных ловушках в условиях циклотронного резонанса [24]. В этом случае вид функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) определяется эффектом суперадиабатического взаимодействия электронов с СВЧ волной [25]. Этот эффект ограничивает максимально возможную энергию, которую может набрать изолированный электрон при ЭЦР нагреве в ловушке. Реализующаяся в этом случае функция распределения существенно отличается от максвелловской. При дальнейшем росте концентрации плазмы наступает момент, когда поглощаемой энергии накачки не хватает для поддержания вышеупомянутой ФРЭЭ при столь большом числе частиц. Для дальнейшего описания процесса необходимо ввести уравнение баланса энергии для электронов. При этом, в рамках рассматриваемой модели, ФРЭЭ после ухода от суперадиабатического режима считалась максвелловской. В модели учитывалась только ступенчатая ионизация электронным ударом. Такие каналы ионизации, как ионизация через автоионизационное состояние и многократная ионизация одним электронным ударом, оже-ионизация и ионизация через «стряхивание» (shake-off) в расчетах не учитывались ввиду их сравнительно небольшого вклада в рассматриваемой области энергий электронов. В расчетах не учитывались процессы, связанные с перезарядкой многозарядных ионов на нейтральных атомах, т.к. во всем интересующем нас диапазоне параметров время перезарядки оказывается как минимум на порядок больше времени жизни ионов в ловушке. Необходимо заметить, что расчеты выполнялись в предположении, что неустойчивости плазмы не играют существенной роли. В рамках модели учитывалась лишь продольные потери плазмы вдоль силовых линий магнитного поля. Поперечные потери относительно магнитного поля оказываются существенно меньше, что демонстрируют приведенные в разделе 1.3 оценки.

В этом же разделе предлагается приближенный способ расчета времен жизни ионов при классическом режиме удержания плазмы, позволивший избежать решения трансцендентной системы уравнений, упомянутой выше. В заключение раздела приводится полная система уравнений, использовавшаяся для моделирования процессов, протекающих в плазме ЭЦР разряда.

В разделе 1.4 описывается метод диагностики концентрации и температуры электронов по измеренным в эксперименте токам ионов различных зарядностей, экстрагируемых из плазмы разряда. Данный метод основан на поиске решения системы уравнений, описанной в разделе 1.3, в стационарном режиме при заданных величинах потоков всех ионных компонент из ловушки источника. Использование теоретических расчетов для диагностики параметров плазмы является весьма интересным, так как является бесконтактным методом. Этот факт является особенно ценным, так как введение различных средств диагностики в плазму в ловушке источника влияет на ее удержание, а следовательно, и на ее параметры.

В главе 2 описываются принцип построения экспериментальных установок и особенности функционирования основных систем, представлена применяемая в работе диагностическая аппаратура.

В разделе 2.1 приводится описание экспериментального стенда SMIS 37, на котором проводились исследования с ловушкой со встречными полями и СВЧ накачкой на частоте 37,5 ГГц. Представлена схема установки.

Описываются используемые гиротрон БАЛЬЗАМ-3С и система ввода СВЧ излучения в разрядную камеру. Использовавшийся гиротрон имел частоту излучения 37,5 ГГц и мощность до 100 кВт при длительности импульса до 1,5 мс. В стенде SMIS 37 реализована квазиоптическая схема ввода СВЧ излучения в магнитную ловушку вдоль магнитного поля системы.

Рассмотрены магнитная ловушка, использовавшаяся для удержания плазмы, вакуумная система стенда и система напуска нейтрального рабочего газа в ловушку, разрядные камеры, которые использовались в эксперименте. Представлены результаты измерений и теоретических расчетов распределений магнитного поля в ловушках. Приведены характеристики вакуумной системы откачки стенда. Описан принцип работы и основные параметры системы напуска рабочего газа в ловушку источника.

Описаны системы экстракции и диагностики ионного пучка. В проведенных экспериментах использовалась традиционная двухэлектродная система экстракции, состоящая из плазменного электрода и пуллера. Электроды имели пирсовскую геометрию. Максимальное напряжение, которое могло прикладываться между ними, составляло 55 кВ. Для измерения тока экстрагируемого ионного пучка на оси магнитной ловушки устанавливался цилиндр Фарадея с большим входным отверстием (35 мм), перехватывающим весь ионный пучок, прошедший через пуллер. Для спектрального анализа экстрагируемого пучка положительных ионов в эксперименте использовался магнитостатический анализатор, разделяющий ионы по отношению масса/заряд.

Описана система синхронизации исполнительных устройств стенда SMIS 37.

В разделе 2.2 приведено описание основных узлов стенда SMIS 75.

Представлены основные характеристики гиротрона и системы ввода СВЧ излучения в разрядную камеру. В экспериментах использовался гиротрон с частотой излучения 75 ГГц, мощностью до 200 кВт и длительностью импульса до 150 мкс. Фокусировка СВЧ пучка осуществлялась с помощью диэлектрической линзы. Плотность СВЧ мощности в фокальной перетяжке, которая располагалась в зоне ЭЦР, достигала 100 кВт/см2.

Описывается магнитная ловушка, вакуумная система стенда и система напуска рабочего газа. Эксперименты на установке SMIS 75 проводились с использованием простой зеркальной ловушки с пробочным отношением 3,7. Резонансная напряженность магнитного поля для частоты СВЧ излучения 75 ГГц составляет 2,7 Тл, максимально возможное магнитное поле в пробке ловушки достигало 5 Тл. Эксперименты проводились при различных давлениях газа в разрядной камере в диапазоне от 310-5 до 10-2 Торр. Откачка вакуумного объема осуществлялось одним насосом с производительностью 500 л/с. В отличие от стенда SMIS 37, в данном случае была реализована схема непрерывного напуска рабочего газа в разрядную камеру.

Описаны система экстракции и диагностики ионного пучка на стенде SMIS 75. Для формирования пучка ионов, образованных в плазме, использовался двухэлектродный сеточный экстрактор, расстояние между сетками составляло 22 мм, подаваемое высокое напряжение могло достигать 20 кВ. Для анализа ионного пучка в экспериментах использовался передвижной цилиндр Фарадея и времяпролетный анализатор ионов. В разделе приведено подробное их описание.

Система синхронизации устройств была аналогична системе, использованной на стенде SMIS 37.

В главе 3 описаны исследования особенностей формирования многозарядных ионов тяжелых газов в плазме ЭЦР разряда, удерживаемой в ловушке со встречными полями, приводятся результаты экспериментов по извлечению пучка ионов. Материалы, изложенные в третьей главе, опубликованы в [3A, 4A, 6A-9A, 11A-13A, 15A-19A].

В разделе 3.1 приводятся результаты исследований, демонстрирующие преимущества каспа перед простым пробкотроном в плане стабилизации МГД неустойчивостей неравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах. Проводится исследование влияния неустойчивостей в простой магнитной ловушке на генерацию МЗИ.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»