WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

Музюкин Илья Львович ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ПЛАЗМЫ ИМПУЛЬСНЫХ ВАКУУМНЫХ РАЗРЯДОВ Специальность 01.04.13 – «Электрофизика, электрофизические установки»

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург, 2008 2

Работа выполнена в Институте Электрофизики УрО РАН Научный руководитель кандидат физико-математических наук Игорь Владимирович Уйманов (ИЭФ УрО РАН) Официальные оппоненты доктор физико-математических наук Николай Борисович Волков (ИЭФ УрО РАН) доктор физико-математических наук, профессор Виктор Львович Паперный (Иркутский государственный университет) Ведущая организация Институт сильноточной электроники СО РАН г.Томск

Защита состоится 23 декабря 2008 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 004.024.01 при Институте электрофизики УрО РАН по адресу: 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЭФ УрО РАН.

Автореферат разослан «» 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.–м.н. Н.Н.Сюткин 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Вакуумный разряд является наиболее эффективным источником плазмы, имеющим широкий спектр научного и технологического применения. Наиболее известными сферами применения плазмы вакуумного разряда в научной сфере является разработка источников ионов для ускорителей, применение ускоренных ионов в ядерных исследованиях и в исследованиях инерциального термоядерного синтеза. В технологической области плазма вакуумного разряда применяется в модификации поверхности изделий путем имплантации и осаждения, создания перспективных космических двигателей и эффективной лазерной накачки. Одним из важнейших явлений, определяющим процессы в источниках плазмы на основе вакуумных разрядов, является коллективное ускорение ионов при разлете плазмы в вакуум. Объяснение и впоследствии управление этим явлением имеет определяющее значение для получения новых высокоэффективных источников плазмы для технологического применения и научных исследований. Получение новых экспериментальных данных относительно потоков плазмы в вакуумных разрядах может помочь в прояснении физической картины процессов ионизации и ускорения плазмы в этих разрядах, что позволит оптимизировать многочисленные технологические и научные устройства, использующие плазму вакуумного разряда.

Цель работы: Целью настоящей работы является экспериментальное исследование потока плазмы электрического разряда в вакууме. При этом основной задачей являлось выявление ранее не исследованных, но важных параметров разрядов, нахождение общих черт и зависимостей для различных видов разрядов и, по возможности, определение общей качественной картины процесса расширения плазмы в вакуум.

При этом задачи можно конкретизировать следующим образом:

• Определение временных характеристик потока плазмы вакуумной дуги, условий ускорений для различных типов заряженных частиц;

• Получение относительных количественных данных об ускоренных ионах в вакуумной искре. При этом параметры разрядного импульса должны обеспечивать функционирование только одного цикла взрывной эмиссии. Получение зависимости параметров плазмы от геометрии разряда;

• Исследование параметров плазмы наносекундного перекрытия диэлектрика для различных конфигураций разряда.

Научная новизна: На основе схемы спектрометра Томсона разработано и создано диагностическое оборудование, которое позволяет проводить автоматический количественный анализ энергетического и масс-зарядового состава потока ионов импульсных источников плазмы.

На основе сочетания электростатического энерго-анализатора и времяпролетного масс-анализатора создана экспериментальная установка и разработан метод измерений нестационарных процессов в потоке заряженных частиц из плазмы вакуумной дуги.

Впервые были проведены исследования потока плазмы под катодной поверхностью вакуумной дуги, выяснен энергетический и зарядовый состав потока ионов, а также временной характер общего ионного потока.

Впервые исследован временной характер потока ионов в вакуумной дуге с временным разрешением до 200 нс. Было выяснено, что поток ионов представляет собой последовательность интенсивных выбросов с практическим отсутствием постоянной составляющей.

Впервые проведен временной анализ потока ускоренных электронов из плазмы вакуумной дуги. Показано, что потоки ускоренных электронов имеют характер выбросов с длительностью 50–200 нс. Появление ускоренных электронов обычно связано с нестабильностью тока дуги.

Потоки электронов в различных направлениях распространяются синхронно, причем интенсивность потока достигает максимума в направлении нормали к поверхности катода и опускается до уровня шума в тангенциальном направлении.

Впервые исследованы параметры потока ионов наносекундной вакуумной искры с длительностью импульса напряжения 20 нс. Получены параметры зарядового массового состава и энергетического распределения ионов. Получена зависимость параметров потока от расстояния анод – катод.

Исследован наносекундный (длительность импульса напряжения 20 нс) разряд по поверхности диэлектрика. Впервые получены относительные количественные данные о массовом зарядовом и энергетическом составе потока ионов. Выявлены особенности разлета плазмы в различных направлениях от поверхности диэлектрика. Выявлен эффект селективного ускорения ионов водорода в наносекундном комбинированном разряде.

Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 129 страниц, включает в себя 65 иллюстраций, список цитируемой литературы состоит из 105 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. С помощью прямых корпускулярно-спектроскопических методов впервые исследован зарядовый состав плазмы и распределение ионов по энергиям в вакуумной искре c длительностью импульса 20 нс и амплитудой 150 кВ. На основе полученных результатов показано, что зарядовый состав плазмы высоковольтной наносекундной вакуумной искры совпадает с зарядовым составом плазмы установившегося дугового разряда. При этом энергетическое распределение ионов вакуумной искры с медным катодом имеет несколько максимумов, которые смещаются в сторону более высоких энергий с ростом заряда иона и с увеличением межэлектродного расстояния.

2. На основе исследования с угловым разрешением энерго-массового состава потока ионов из плазмы наносекундного вакуумного пробоя по поверхности полиэтилена высокого давления показано, что ионы водорода ускоряются в более широком телесном угле с углом раствора >90o, чем ионы углерода, для которых этот угол раствора не превосходит 40o. При этом ионы углерода ускоряются на большем расстоянии от поверхности диэлектрика, которое может достигать нескольких сантиметров, чем ионы водорода.

3. Обнаружен эффект селективного ускорения ионов водорода в наносекундном комбинированном разряде, совмещающем в себе разряд по поверхности полиэтилена и пробой вакуумного промежутка. Этот эффект состоит в том, что при величине вакуумного промежутка более 2 мм и подаче положительного высоковольтного импульса в потоке ионов регистрируются только ионы водорода, ускоренные до энергий, которые могут на порядок превышать энергии ионов водорода при отсутствии вакуумного промежутка.

4. Поток электронов из плазмы вакуумного дугового разряда с энергиями, превышающими падение напряжения на разряде, представляет собой последовательность выбросов тока длительностью от 50 до 200 нс.

Появление выбросов тока ускоренных электронов синхронно во времени для различных направлений и при этом наибольшая интенсивность потока электронов наблюдается в направлении, нормальном к катодной поверхности Апробация работы. По результатам работы опубликовано печатных работ в центральной и международной печати, в материалах международных конференций. Результаты работы докладывались на международном симпозиуме по разрядам и электрической изоляции в вакууме (ISDEIV) в 1998 г. в г. Эйндховен и в 2004 г. в г. Ялта. На конференции «Физика экстремальных состояний вещества» Эльбрус 2004, 2005, 2006 гг.

Вклад автора в разработку проблемы. Автором осуществлены выбор и разработка методики исследований. Проектирование и создание экспериментальных установок. Проведение экспериментов и анализ результатов. Оформление результатов и написание печатных работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, определены основные цели работы, изложена ее научная новизна и краткое содержание диссертации, формулируются выносимые на защиту научные положения.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена рассмотрению наиболее важных результатов в области исследования потоков плазмы в вакуумных разрядах, имеющихся в литературе. Описаны экспериментальные исследования вакуумной искры и вакуумного дугового разряда. Рассмотрены экспериментальные методы, их достоинства и недостатки, а также их влияние на результаты исследований. Рассмотрение процесса разлета плазмы в вакуум было разделено на два принципиально отличающихся случая.

Основным критерием разделения принято наличие явной границы плазма – вакуум во время процесса разлета плазмы. Для существования такой границы длительность разрядного импульса должна быть меньше времени достижения плазмой заземленных электродов или стенок камеры.

Характерные энергии ионов в этом случае лежали в диапазоне от десятков кэВ до десятков МэВ. Вариант с отсутствием явной границы плазмавакуум реализуется во время дугового разряда относительно большой длительности. Поток плазмы дугового Рис. 1. Общий вид и конструкция разряда содержит в основном поток спектрометра:

1- коллиматор, 2 - магнитные экраны, ионов с энергиями от десятков до сотен 3 - полюсные наконечники, 4 - магнитные катушки, 5 - детектор, эВ. В конце обзора дано краткое 6 - окно, 7 - источник ионов описание основных теоретических моделей, используемых для объяснения исследуемых явлений.

Существующие теоретические модели объясняют наличие ускоренных ионов в плазме вакуумных разрядов, данные теоретических расчетов совпадают с экспериментальными по порядку величины. Однако не было теоретически получено объяснение формы энергетических распределений ионов в плазме вакуумных разрядов, а так же зависимости характерных энергий ионов от масс и зарядовых состояний ионов.

Во второй главе рассмотрены основные методики, примененные в диссертационной работе для исследования плазмы вакуумных разрядов.

Основным методом в исследовании наносекундных импульсных разрядов в вакууме являлся спектрометр Томсона с автоматической системой фотометрирования.

Схема спектрометра представлена на Рис.1 В качестве детектора использовалась микроканальная Рис.2. Электрическая схема анализатора:

пластина для усиления сигнала до 1 – входной узел, 2 – нижняя 10000 раз. За МКП находился пластина, 3 – верхняя пластина, 4 – коллектор, 5 – пролетная труба, люминофорный экран, свечение 6 – детектор, 7 – усилитель, 8 – осциллограф, 9 –ПК, которого регистрировалось CCD 10 – юстировочное зеркало камерой. Анализ спектрограмм проводился наложением расчетных парабол на спектрограмму и считыванием интенсивности для каждой энергии.

Для измерений энергетического спектра и временной зависимости потока ионов в дуге использовался электростатический энерго-анализатор, совмещенный с времяпролетным масс-анализатором. Электростатический дискриминатор энергии конденсаторного типа настроен на определенное значение E/Z. Для получения полного энергетического спектра на блок пластин (2, 3, 4) и пролетную трубу (5) подается линейно изменяющееся напряжение. Для получения масс-зарядового состава нужно, чтобы время сканирования было бы меньше разности пролета ближайших по параметру M/Z частиц. Для временного анализа потока ионов одного значения E/Z напряжения на пластинах остаются постоянными и, если токовый импульс меньше разности пролета ближайших по M/Z, можно получить сигналы для каждой группы ионов и совместить их друг с другом и с сигналом тока дуги.

В третьей главе описываются измерения потока плазмы в наносекундных вакуумных разрядах, с использованием спектрометра Томсона.

В разделе 3.1 описываются эксперименты с наносекундной вакуумной искрой. Основной задачей в проведении этих экспериментов была попытка получить параметры плазмы, образованной за один цикл взрывоэмиссионного центра - эктона. Для этого был использован высоковольтный наносекундный генератор РАДАН с амплитудой импульса 150 кВ и длительностью 5 нс. Так как вакуумный промежуток не является согласованной Рис.3. Спектры ионов меди в случае медного катода при нагрузкой, в импульсе напряжения различных межэлектродных присутствуют отражения. Общая длина расстояниях D импульса увеличивается до 20 нс. Вакуумный диод представляет собой острийный катод и сеточный анод. Расстояние анод-катод могло меняться.

Были получены энергетические спектры ионов для медного и графитового катодов в зависимости от расстояния анод-катод (Рис.3). Из приведенных рисунков видно, что кривые спектров имеют несколько максимумов. Эти максимумы смещаются в сторону больших энергий при увеличении расстояния анод–катод. Также видно, что характерные энергии прямо пропорциональны заряду иона. Наиболее вероятные энергии для Cu+ и примесей С+ и H+ приблизительно совпадают, что может свидетельствовать об ускорении всех ионов одной разностью потенциалов. Необходимо отметить также, что зарядовый состав ускоренной компоненты плазмы наносекундной искры качественно совпадает с зарядовым составом дуги. Это подтверждает то, что зарядовый состав формируется на ранних стадиях развития пробоя - за один жизненный цикл взрывоэмиссионного центра – эктона. Общая доля примесей составляет 50%. Само наличие зависимости энергий ионов от расстояния анод-катод является неожиданным фактом.

Pages:     || 2 |






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