WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 9 04;12 Особенности энергомассового состава плазмы коаксиального вакуумного наносекундного поверхностного разряда © С.В. Барахвостов, И.Л. Музюкин, Ю.Н. Вершинин Институт электрофизики Уральского отделения РАН, 620016 Екатеринбург, Россия e-mail: lfd@iep.uran.ru (Поступило в Редакцию 11 января 2006 г.) Исследован энергомассовый состав плазмы, генерируемой в процессе наносекундного разряда по поверхности полиэтилена высокого давления в коаксиальных промежутках при разной полярности центрального электрода и при наличии или отсутствии вакуумного зазора с периферийным электродом. Выявлены особенности составов плазмы в зависимости от этих факторов. Показано, что коаксиальная схема наносекундного разряда по поверхности диэлектрика является эффективным источником многозарядной высокоскоростной плазмы.

PACS: 52.80.Vp, 52.80.-s, 52.50.Dg Введение разделение потока ионов по энергиям и зарядам. После прохождения отклоняющего промежутка ионы попадаПонимание процессов образования энергетического ют в область свободного распространения, а затем на и зарядового составов плазмы при вакуумном высокодетектор.

вольтном пробое по поверхности имеет большое знаДетектор выполнен с использованием микроканальчение для создания новых источников многозарядных ной пластины с усилением до 104 и установленного высокоэнергетичных ионов. Пробой по поверхности явза ней люминофорного экрана. Электронный поток с ляется одним из самых эффективных методов создания выхода микроканальной пластины, пропорциональный плазмы с высоким содержанием многозарядных ионов.

ионному потоку, на входе, попадает на люминофорный Ранее проведенные исследования показали наличие мноэкран. Усиление микроканальной пластины выбиралось гозарядных ионов в плазме поверхностного наносекундтаким образом, чтобы не было насыщения свечения ного разряда [1,2]. Данная работа представляет собой на параболах ионного спектра. Интенсивность свечения расширенное исследование для нескольких вариантов различных участков поверхности люминофора оцифразряда в рамках коаксиальной схемы.

ровывалась CCD-камерой и накапливалась в течение десятков единичных измерений с помощью компьютера.

Метод накопления позволял выявить части ионного Методика спектра, невидимые в единичном измерении.

Далее спектрограмма анализировалась программой Для исследований энерго-масс-зарядового состава пообработки результатов. На полученные спектрограммы тока плазмы использовался метод парабол Томсона.

накладывались расчетные параболы и определялась отСхема анализатора представлена на рис. 1. Ионы, покиносительная интенсивность для каждого участка расчетдая поверхность диэлектрика, проходят формирующую ной параболы. В результате определялось распределесистему диафрагм 2 с отверстиями диаметром 0.05 mm, ние интенсивности потока ионов от заряда, массы и далее они попадают в область электрического и магнитэнергии. Оптическая ось анализатора проецировалась на ного полей, параллельных друг другу, где происходит диэлектрик в 5 mm от центра. Калибровка спектрометра осуществлялась по сигналу ионов H. Распределение тока ионов во времени определялось зондовым методом с датчиком типа цилиндра Фарадея.

Экспериментальная часть Эксперименты проводились в вакууме при остаточном давлении 10-4 Pa. Вакуум в системе создавался паромасляным насосом с вымораживанием паров. Схема расположения электродов приведена на рис. 2. Диаметр центрального электрода составлял 3.5 mm. В качестве Рис. 1. Схема анализатора Томпсона: 1 — источник ионов, 2 —диафрагмы, 3 — отклоняющий промежуток, 4 — детек- диэлектрика использовался полиэтилен высокого давтор, 5 — CCD-камера, 6 — компьютер. ления диаметром 20 mm. Зазор между диэлектриком Особенности энергомассового состава плазмы коаксиального вакуумного наносекундного... лиматора была снята, при этом на полевые наконечники поле не подавалось. В результате на детекторе отразилась инвертированная картина ионного потока и ультрафиолетового излучения разряда на образце рис. 3.

Из рисунка видно, что интенсивность свечения плазмы на расстоянии, куда проецировалась оптическая ось анализатора, примерно одинакова по всем углам. Также незаметен центральный электрод. Электрод выступал над поверхностью диэлектрика на 5 mm, значит, плазма на расстоянии свыше 5 mm способна накрыть электрод и светить поверх него. В данном случае было невозможно отделить ионный поток от ультрафиолетового излучеРис. 2. Коаксиальный источник плазмы: 1 — центральный ния, к которому детектор МКП тоже чувствителен.

электрод, 2 — периферийный электрод, 3 — диэлектрик, Однако общий характер обскурограммы дает основания 4 — кольцо для устранения вакуумного зазора.

полагать, что разрядный ток и разрядная плазма распределены по поверхности диэлектрика вблизи центрального электрода достаточно равномерно.

Результаты и их обсуждение Полученные масс-энергетические спектры ионов с различной кратностью ионизации приведены на рис. 4, 5.

Анализ этих спектров выявил ряд закономерностей. Так, зависимость энергии ионов углерода Wi от кратности Рис. 3. Обскурограмма поверхностного разряда.

и периферийным электродом составлял 0.5 mm. Исследовались четыре варианта формирования процесса перекрытия — при подаче на центральный электрод импульсов положительной или отрицательной полярности, а также при наличии и отсутствии вакуумного зазора между диэлектриком и периферийным электродом. Амплитуда импульса составляла 150 kV, длительность 3 ns и фронт 200 ps.

Импульсный разряд по диэлектрику в представленной схеме должен иметь особенности, связанные с неравномерностью распределения плотности тока как радиального, так, возможно, и углового. В связи с тем что анализатор Томсона может охватывать в течение одного измерения лишь небольшой участок поверхности диэлектрика, необходимо было удостовериться в том, что разрядный ток не шнуруется на поверхности диэлектрика, и разрядные условия не сильно отличаются на одном расстоянии, но на разных углах. Была измерена Рис. 4. Энергетические спектры ионов в отсутствие зазора обскурограмма свечения разряда по всей поверхности диэлектрик-периферийный электрод. Жирная линия — полообразца. Для этого внешняя диафрагма (рис. 1) кол- жительная полярность, тонкая — отрицательная.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 48 С.В. Барахвостов, И.Л. Музюкин, Ю.Н. Вершинин зависит только от наличия ( = 0) или отсутствия ( = 0) вакуумного промежутка. Об этом свидетельствуют приведенные на рис. 6 значения минимальных и максимальных энергий Wi(z ).

Такой ход зависимости Wi(z ) характерен для бездиссипативного электростатического механизма ускорения ионов. При таком механизме конечная скорость ионов vi и их энергия Wi определяются ускоряющей разностью потенциалов.

L Mivi Wi = = ez Edx = ez, (1) где L — протяженность зоны ускорения. В условиях эксперимента время ускорения t не должно превышать длительности импульса высокого напряжения с учетом затухающих колебательных процессов, тогда t 30 ns.

Если при t = 0 vi = 0, а максимальная скорость ионов vi = 2 · 105 m/s при Wi 3 keW, то протяженность зоны = ускорения не превышает L = 5 mm при максимальном ускоряющем потенциале = 600 V и средней напряженности поля в зоне E /L 1.25 · 105 V/m.

Влияние полярности центрального электрода в сочетании с типом разрядного промежутка становится более заметным при сопоставлении долей ионов xi(z ) в составе плазмы (см. таблицу). Так, доля ионов углерода xi(z ) при отсутствии вакуумного зазора ( = 0) превышает аналогичные значения xi(z ) при = 0. Данное различие Рис. 5. Энергетические спектры ионов в присутствии зазора возрастает при положительной полярности центральнодиэлектрик-периферийный электрод. Жирная линия — полого электрода — разряде с анода (рис. 7).

жительная полярность, тонкая — отрицательная.

Перечисленные выше закономерности не распространяются на протоны (рис. 8, 9). Так, при разряде с катода, в отличие от ионов углерода, максимальные энергии и доли протонов в плазме практически на зависят от наличия или отсутствия вакуумного зазора и имеют близкие значения. При разряде с анода соотношения энергий протонов и их долей в плазме в зависимости от типа разрядного промежутка оказываются противоположными по сравнению с ионами углерода. При = по сравнению с вариантом = 0 кинетическая энергия протонов возрастает в 4 раза, а их доля в плазме — в 1.5 раза.

Эти закономерности согласуются с результатами измерения ионного тока в разрядных промежутках при положительной полярности центрального электрода. Наличие вакуумного промежутка в этом случае приводит Рис. 6. Влияние кратности ионизации ионов углерода на их Доли ионов в составе плазмы максимальную (a) и минимальную (b) кинетическую энергию:

Полярность Доли ионов, xi, % 1 — = 0; 2 — = 0; •, —разряд с катода,, —разряд Наличие с анода. центрального зазора H+ C+ C2+ C3+ C4+ электрода + = 0 50 9 7 8 = 0 76 3 2 3 ионизации z является линейной в широком интервале Wi. При этом количественное соотношение Wi(z ) - = 0 42 5 5 8 = 0 40 3 4 7 не зависит от полярности центрального электрода и Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Особенности энергомассового состава плазмы коаксиального вакуумного наносекундного... „ток-энергия ионов“ и их сопоставление с интервалами энергий Wi ионов (рис. 10) позволяет установить, что резкое снижение ионного тока связано с уменьшением в плазме доли ионов с высокой кратностью ионизации.

В связи с этим рассмотрим последовательность процессов, из которых складывается перекрытие вакуумных промежутков. При = 0 эти процессы изучены и количественно описаны достаточно полно [3]. Что касается перекрытия комбинированных промежутков с = 0, то наиболее приемлемым представляется следующее объяснение указанных выше особенностей.

В условиях эксперимента электрическое поле наряду Рис. 7. Влияние вакуумного зазора на доли ионов в плазме с нормальной составляющей E, ответственной за ускопри разряде с катода (1) и анода (2).

рение ионов в направлении, перпендикулярном поверхности диэлектрика, имеет также тангенциальную составляющую поля E. Под действием E ионы, преимущественно в вакуумном зазоре, ускоряются и приобретают кинетическую энергию mv2/2 = ez E. Их столкновеi ние с катодом приводит к интенсивной ион-электронной эмиссии, что нарушает баланс зарядов в плазме и приводит к интенсификации процесса рекомбинации. С учетом этого фактора скорость рекомбинации dn = k neni (2) p dt при = 0 и = 0 должна быть различной, так как в первом случае ne = zni, а во втором — ne > zni. К тоРис. 8. Энергетические спектры ускоренных ионов водорода в отсутствие зазора диэлектрик-периферийный электрод.

Жирная линия — положительная полярность, тонкая — отрицательная.

Рис. 9. Энергетические спектры ускоренных ионов водорода в присутствии зазора диэлектрик-периферийный электрод.

Жирная линия — положительная полярность, тонкая — отрицательная.

Рис. 10. Ионный состав плазменного факела при наносекундк увеличению в 4 раза максимума ионного тока и ном перекрытии с анода с вакуумным промежутком (1) и без сопровождается качественным изменением его динами- него (2): a — полный ионный ток, b — распределение по ки. Представление этих осциллограмм в координатах энергиям ионов с разной кратностью ионизации.

4 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 50 С.В. Барахвостов, И.Л. Музюкин, Ю.Н. Вершинин му же эта скорость возрастает с увеличением кратности ионизации z. Последнее связано с тем, что коэффициент рекомбинации k в (2) пропорционален эффективному p сечению электрон-ионных взаимодействий, ei, которое пропорционально z [4]:

z eei = 0.69 ln. (3) (kT)Это означает, что процесс рекомбинации в первую очередь коснется многозарядных ионов, что и наблюдается в эксперименте (рис. 6, b). Очевидно также, что составляющая ионного тока с ионами высоких энергий Wi > 3 keW представлена преимущественно протонами.

Заключение В результате проведенных исследований подтвержден факт наличия многозарядных ускоренных ионов в потоке плазмы наносекундного вакуумного поверхностного разряда. Выявлено сходство в зарядовом составе для анодного и катодного процессов наносекундного вакуумного разряда. С другой стороны, обнаружено существенное отличие в энергетических спектрах как тяжелых ионов углерода, так и легких ионов водорода. Причем ионы водорода ускоряются сильнее при положительной полярности наносекундного импульса высокого напряжения, а углерода — при отрицательной. В случае наличия зазора при анодном процессе соотношение содержания ионов водорода и углерода резко изменено в пользу ионов водорода при существенном возрастании их максимальной энергии.

Отметим, что установленное влияние особенностей разрядного промежутка на зарядовый состав плазмы может рассматриваться как один из методов регулирования масс-энергетических характеристик плазмы с многозарядными ионами. Однако совершенствование этого метода связано с неоходимостью исследования вклада разделенных во времени отдельных этапов процесса перекрытия таких промежутков на свойства и состав генерируемой многозарядной плазмы.

Работа выполнена при поддержке программы фундаментальных исследований президиума РАН „Теплофизика и механика интенсивных энергетических воздействий“, гранта РФФИ № 05-08-18258 и при частичной поддержке гранта РФФИ № 05-02-17650.

Список литературы [1] Барахвостов С.В., Музюкин И.Л. // Письма в ЖТФ. 2004.

Т. 30. Вып. 21. С. 27–31.

[2] Muzukin I.L., Barakhvostov S.V. // Plasma Science. 2005.

Vol. 33. N 5. P. 1654–1657.

[3] Месяц Г.А. Эктоны. Екатеринбург: Наука, 1994. Ч. 2. 243 с.

[4] Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966. 686 с.




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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.