Неустойчивости газоразрядной плазмы низкого давления тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РГ8 ОД

Российский научный центр / 3 ьШ] ГП'З «Курчатовский институт»

. На правах рукописи УДК 533.9

ШВИЛКИН Борис Николаевич

НЕУСТОЙЧИВОСТИ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

01.04.08 — физика и химия плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва—1993

Работа гызоглева аа £язнчевкок фагултете Московского Государс-генгого Укоерскета ы. К.В.Ломоаосева

ОсЕсг&льЕые оплоненгк:

Лектор фгзжЕО-иагеаагвчесЕис Доктор £гз1ЕС—и£*еиатг?есхих ¿сетор фгзгЕС—магекагачеекгх

кгуг А.П.1илжнсга1

наук А..В.Ведоспасо1

взу* В.1,Петвгадзвл1

Бегу-2-е оргаяизаккя - СанЕт-ПетерЗургскк! Государственны! тедгчесЕгЕ уимереяте?

Егггга исеертадак сосгогтсг ■ *_1993г.

_ часов ва гагехаги сввмалхзггюваЕюгс совета по

фжагке ыазш е усрашиеноку тержоггерноку сгнтезу г Российском Еггчяэк гегтре "дурчысвскхй азсткгу?" /¿.ОЗ^.О^Ш/яо адресу: 12315с, Мз:е2£, пл. Ахалеигка Курчатове

С дкссерталие! ногво ознахитеться 5 <5«блжотем РНД "Курчатовский явстгтуг"

Автореферат разослав * и ■ оь 1993г.

ЗчанД секретарь

спзЕкагкзкрованного со»еть , ,___

кандЕдаз фгзяхо-латекаажческях наух ■''^¿^/^¿-^Д.Б.Картаае»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Диссертация посвящена исследованию ©устойчивости газоразрядной плазмы. Проблема изучения плаз-енных неустойчивостей и возникающей в результате иг развития урбулентности представляет собой одну из центральны* «адач ювреиенной физики плазмы. Реальная плазма практически всегда 1вляется неравновесной, что обуславливает ее неустойчивость-и -юзбуждение в ней волн различного типа. Аномально большой пе->енос частиц и энергии, возникающий из-за неусгойчивостей в го->ячей заиагниченной плазме, является одним из основных препят-;твий на пути реализации управляемого термоядерного синтеза.

Газоразрядная плазма является уникальный объектом исследования неустойчивостей. Ломтю того, что газовый разряд интересен сам по себе, он имеет многочисленные технические применения. Для создания газоразрядной плазмы не требуется дорогостоящих крупномасштабных установок, а для ее исследования имеется различные достаточно хороио разработанные методики. Вместе с тем многие результаты, полученные при исследованиях га- ' зоразрядной плаэ*и, позволяют лучпе понять процессы, происходящие в ионосфере, пристеночной плазме токаыаков и т.д.

В плазме возможны неустойчивости различного типа. В магнитной поле одной из наиболее характерных неустойчивостей плазмы является дрейфозо-диссипативная. Ока представляет собой универсальное явление в обнаруживается в самых разных плазменных образованиях и устройствах. Причиной ее возникновения служит присущая любым реальным плазменным образованиям термодинамическая иеравновесность плазмы - градиент давления поперек магнитного поля. В зависимости от конкретных условий эта единственная причина приводит к самопроизвольному возникновению в бестоковой плазме различных типов неустойчивых колебаний таких, как дрейфовые, ионяо-звуковые, низкочастотные дрейфовые, колебания разреженной плазмы. К их возбуждению приводит действие таких факторов, как инерция ионов, конечность ионного ларморовского радиуса, некваа«нейтральность возмущений. Имевшиеся ранее отрывочные сведения не позволяли провести систематическую проверку справедливости существовавшей теории неустойчивости и определить условия, в которых доминируют те

или иные факторы.

При изучении самой дрейфово-диссипативной неустойчивости представляет интерес разработка способов ее подавления, изучение ее влиянии на стационарные параметры плазмы, создание методик определения параметров плазмы.

Среди неустойчивостей газоразрядной плазмы с протекающим но ней постоянный электрическим током в отсутствие магнитного поля одной из фундаментальных является ионно-звуковая неустойчивость. Теория предсказывала возможность самовозбуждения ионно-звуковых волн в плазме с током. Предстояло обнаружит! и изучить эти волны экспериментально.

Другая присущая газовому разряду неустойчивость - иониза-циоино-дкффуаиошшн, приводимая к образованию бегущих страт. Еыдвигалось иного гипотез ьозбуидекин страт. Пилящаяся сейчас обдепризнанной ионизациошю-диМузиовная теория предсказывала ряд свойств строг, среди которых возбуждение широкого непрерывного спектра колебаний вблизи границы неустойчивости. В работе это свойство било экспериментально обнаружено.

С практической точки зрения важно найти способы подавления страт. Ьто актуально при разработке ряда газоразрядных устройств, например, ыалошумнщмх активных элементов газовых лазеров

Цель работы заключалась ь изучении неустойчивых колебаний в газоразрядной плазме и анализе механизмов неустойчивости. Она включала в себя исследование дрой^ово-диссипативпой неустойчивости и 60 разновидностей в бестоковой неоднородной плазме с градиентом плотности, перпендикулярным постоянному аксиальному магнитному нолю. Сюда относится обнаружение, идентификация и изучение самопроизвольно возникающих неустойчивых колебаний, разработка способов подавлении неустойчивости, установление ее влияния на стационарные параметры плазиы, создание методик определения плазменных параметров. В задачу исследования входила также проверка теории дройфово-диссипитивного механизма возбуждения неустойчивости. Один из разделов работы посвящен изучению ионно-зБуковой неустойчивости. Предстояло экспериментально обнаружить и изучить условия самопроизвольного возникновения, свойства и закон дисперсии ионно-звуковых волн. Для ионизационно-диффуаиовных волн требовалось экснери-

ментально доказать возможность существования предсказанного теорией шумового, а не дискретного спектра частот, саиовозбуж-дающихся в плазме страговых колебаний. Необходимо было разработать способ подавления бегущих: страт для более эффективной работы некоторых газоразрядных устройств.

Научная новизна и значимость работ»«

Впервые проведено комплексное исследование широкого класса неустойчивых волн в газоразрядной плазме при наличии внешнего магнитного поля и без него.

Экспериментально показано, что в бестоковой газоразрядной плазме с градиентом плотности, перпендикулярным магнитному полю, может развиваться дреЯфово-диссипативная неустойчивость. При этой установлено, что в зависимости от конкретных условий воз-мохны слудуюдие четыре ее разновидности: дрейфовая, ионно-звуковая, низкочастотная дрейфовая, а также неустойчивость разреженной плазмы,

Доставерно экспериментально обнаружены предсказанные теорией неустойчивые дрейфовые колебания, частота которых а) ме-ньив ионной циклотронной частоты Шс. , и ионно-эвуковые колебания с СО для возбуждения которых является существенным эффект икерцик ионов. Наин обнаружены низкочастотные дрейфовые колебания с ^ - частота столкновений ионов о нейтральными атомами) и показало, что их возбуждение связано с эффектом конечности ионного лариоровского радиуса. Показано, что в стационарной неизотерцической плазме с малой плотностью электронов могут самопроизвольно возбуждаться низкочастотные колебания, обусловленные отступлением от кваэинейтральности в колебаниях. В общем случае существенны все вышеперечисленные дестабилизирующие плазму факторы, так что картина явления достаточно сложна. Впервые выявлены условия, при которых домини-иирует тот или иной фактор, что позволяет дать точную и однозначную интерпретацию эксперимента. Установлены области существования, изучены свойства и закон дисперсии различных типов неустойчивых колебаний.

На основе получения результатов экспериментов разработан способ плавной регулировки радиального электрического поля в плазме при искусственном возбуждении в ней волн. Показано,

з

что в плазае в магнитном поле при самопроизвольном возбуждении иеусуойчишх колебаний существует аномальное радиальное электрическое поле. Показано, что оно полет быть раасчитано по известным характеристикам волн.

Предложен способ подавления дрейфово-диссипативной неустой-• чивости.

Предложены новые способы определения температуры и концентрации электронов, основанные на зондировании плазмы электромагнитный» ноянами.

Показано, что экспериментальные результаты качественно совпа дают с теоретическими, получениями в локальном квазиклассическс приближении.

Проведено комплексное исследование самопроизвольного возбуждения ионно-звуковых волн в газоразрядной плазме с протекающим по ней токои, установлены условия возбуждения неустойчивости, закон диспорсни волн. Экспериментальные результаты соответствуют теоретическим.

Впервые обнаружено, что при низких давлениях, близких к граничным дли существовании страт, бегущие страты обладают не дискретным, а шумовым спектром в определенном диапазоне частот, в котором наблюдается распространение волн. Разработаны элективные способы подавления страт.

Таким образом, в работе развито научное направление физики плазмы, состоящее в комплексном исследовании волн и неустойчи-востей бестокового газового разряда в магнитном поле, включающе в себя идентификацию механизмов неустойчивости и условий возбуа дания волн, изучения закона дисперсии воли, а также разработку способов подавления неустойчивости. Наряду с этим в диссертации исследованы неустойчивости разряда постоянного тока: ионно-звую вые волни и бегущие страты.

Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов состоит в следующем:

I', Результаты экспериментальных исследований могут быть использованы для проверки нелинейной теории дройфово-диссшгативной неустойчивости.

2. Искусственное возбуждение волн позволяет регулировать величину радиального электрического поля в плазме, помещенной в

»{свальное магнитное поле.

, Самопроизвольное возбуждение колебаний сопровождается возник~ эвением аномально большого радиального электрического поля. По звестным характеристикам волн возможно определить величину поля. , Предложен способ подавления дреЛ^ово-диссилативной неустойчи-эсти в газоразрядной плазме путем наложения на нее дополнителъ-ого слабого поперечного магнитного поля.

. Разработан способ определения температуры электронов в плазме, оцененной в немонотонно изменяющееся в пространстве магнитное оле по установленному на опыте профилю линии циклотронного пог-ощенип электромагнитной волны.

Разработан способ определения концентрации электронов в плаз-[е на основе измерения коэффициентов прохождения и отражения 1Лектромагпитной волны в неоднородном магнитном поле. '. Способы определения температуры и концентрации электронов 1ашли применение не только при измерениях в слабо ионизованной шазие, но и в териоядерных систьнах ( адиабатические ловушки ). 3. Разработаны способы подавления бегущих страт, что позволяет создать конструкции малопумящих активных элементов газовых лазеров.

3 . На основе полученных результатов может быть проведен анализ явлений в плазме ионосферы, в пристеночной плазме установок, предназначенных для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

По результатам работы получено 10 авторских свидетельств на изобретения.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на ряде Всесоюзных и Международных конференций.

Публикации. В основу диссертации положены работы автора / I - 68 /.

Объем работы. Содержание диссертации изложено на 303 страницах машинописного текста и иллюстрируется ТЭО рисунками и 12 таблицами. Библиография включает 299 наименований литературных источников.

Структура диссертация. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заклячения. Изложение материала обзорного характера дается в приложении и непосредственно в самих главах.

б

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Во введении дано обоснование выбора темы диссертации и ее актуальности, изложена цель работы, ее задачи, приводятся новио научные положения и результаты, выносимые на защиту. Приложение содержит критический обзор современного состояния исследований по теме диссертации.

Первая глад« посвящена методике и технике проведения эксперимента по изучении ««устойчивости плазмы. Экспериментальная установка описана в 1.1. Измерения проводились в токовой и бестоковой плазмах г стеклянных трубках с диаметрами I - 6 си и длиной от 3 до 200 си. Рабочий газ - Н,, //<?, Л'е. Дп К,\ /в, пары ртути при диелении 1*10"^ - 15 Гор. Для получения, бестоковой плазмы использовался стационарный разряд Е - типа, возбуждаемый ВЧ генератором мощностью 400 Вт на частотах 1-20 мГц. Высокочастотная мощность подводилась как к медным кольцевым электродам, охватывающим разрядную трубку снаружи у ее торцов, так и к плоско-параллельным торцевым электродам. Продольное однородное магнитное поле величиной до 3 кГс )(неоднородность менее Ъ%) создавалась при помощи многосекционных соленоидов общей длиной 120 сы. Разрядные трубки юстировались по оси соленоида.

В условиях опытов плазма била слабо ионизоьаниой, ее концентрация не превышала 1*10^ электронная температура -1,5'Ю5 К.

В 1.2 описаны методики исследования, Стационарные значение! концентрации заряженных частиц , температуры электронов Те , потенциала плазни у? и его распределении по радиусу разрядной трубки определялись с помощью эондовых измерений. В целях провор ки правомерности использования зондовой методики дли определения ^ и чти параметры плазмы определялись также с помощью сиоци альло разработанных СВЧ методик /61,62/. Электрические зонди попользовались для измерений флуктуация потенциала и концентрации электронов, оценок величины высокочастотного электрического ноля электрического заряда в колебаниях плазмы при ее неустойчивости / 68 /.Для определении характеристик шумов и колебаний наряду с зондовой применялась и оптическая методика, позволявшая регистра

юлать частотный спектр флуктаций свечения, длину волны, номер 13ИыуталышЛ моды колебаний. Для определен™ величины и направ-[влип волнового вектора пульсаций иума использовалась корреляци-тная методика.

Вторая глава диссертации содержит результаты исследований фейфово-диссип;тишой неустойчивости неоднородной по плотности тлазмы в магнитной иоле в условиях преобладающего воздействия эффекта инерции ионов. Разновидности неустойчивости такого типа • эбнаруживаются при сравнительно высоких концентрациях электронов. В цилиндрической столбе плазмы неустойчивость проявляется в возникновении волн плотности и потенциала, распространяющихся в сторону ларморовского вращения электронов в магнитном поле я обладающих различными азтутальнаии номерами моды Ш . В аксиальном направлении; устанавливается стоячая волна. При этом на участке плазмы, помещенном внутри магнитного поля, укладывается, половина длины волны.

Во второй главе представлены результаты исследования дрейфовых колебаний, частота которых при больших магнитных полях (дрейфовая частота), где [<# = , азимутальная длина

волны, В> - индукция магнитного поля, 36 - характерный размер неоднородности плазмы. В той же второй глава приводятся результаты, относящиеся и к иошго-звуковш неустойчивым колебаниям, названным так потому, что максимальные возможные частоты этих колебаний совпадая! с выражением для ионно-звуковой частоты О) где Су - скорость ионного звука.

В 2.1 приведены данные о дрейфовых колебаниях / 1,9 - 15,17, 22,28,33,35,37,38,40,42,47,■48 /. Частота этих колебаний (л) , как видно из рис.1, больше частоты столкновений ионов с нейтральными атомами (шшшя горизонтальная пунктирная линия), дрейфовой 0)* (частота А^*спадает с ростом магнитного поля) и ионной циклотронной частот ^'(прямая, проходящая через начало координат).

Установлена область возбуждения дрейфовых колебаний по магнитному полю и давлению, зависимость ее размера от номера' азимутальной моды колебаний и величины проекции волнового вектора на направление магнитного поля. Показано, что в коротких разрядных трубки возбуждение неустойчивых колебаний не происходит. Изучен закон дисперсии неустойчивых дрейфовых колеба-

еа

Иопно-звуковме колебания

Низкочастотш дрейфолие колебания Конечность ионного ^юрыоровского радиуса

Колебания разреженной плазш НеквазинеЯтралыюсть возмущений

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Рис, I. Качественная диаграмма областей сущеотвоваи различных типов неустойчишх колебаний.

иЯ. Получении« экспериментально дисперсионные характеристик« юлвбшшИ хорошо совпидаит с рассчитанными теоретически в лояльной квазпклисончоскок приближении. В работе приведены также «счеты длн реальной цилиндрической геометрии плазмы.

Результаты научении неустойчивых ионно-э луконых колебаний '1,9,15,3?,'»1,42,'»7/ приведены в 2.2. Частота птих колебании прс-мает ионную циклотронную частоту и частоту столкновений ионов . ) нейтральными атомами и оказывается мемыле как частоты столкновений электронов о иейтралыпши атомами, так и дрейфовоЛ частоты (см. рпо.1). Установлено, что ионио-звукевне неустойчивые колебания обнаруживаются в плазме внутри области магнитных полей и давлений, предсказанных теоретически. Исследован закон дисперсии колебаний. Дисперсионные характеристики колебаний, полученные экспериментально, хороио согласуют« с рассчитанными теоретически.

В условиях неполной эаылгпичоиносги ионов в плазме иомсг распространяться еще один тип волн. Их возбуждение обнаруживается, когда ионная циклотронная частота Ск)1 близка к частоте ион-исйт-ралмшх соударений , а ларморовсклй радиус ионов составляет значительную дол» (порядка Т/2 - 1/3) от радиуса разрядной трубки X . При итоц частота неустойчивых колебаний нижи не только дрейфовоЯ и ионной циклотронной частот, но и частоты столкновений ионов с нейтральными атснами (см. рис. Г). Характеристики " аточно больших концентрациях плектронов

Самовозбуждение колебаний обнаруживается лишь в газах с тяжелыми ионами. К их возникновении в неоднородной по плотности газоразрядной плазме в магнитной поле приводит действие эффекта конеч-поста ионного лараоровского радиуса / 12,13,15,16,38,39,'(3,47 /. Исследований этих колебаний лосвлцена третья глава диссертации. Установлено, что низкочастотные дрейфовые колебания при малых магнитных полях распространяются в направлении лараоровского вращения электронов.При увеличении магнитного поля фазовая скорость волны меняет знак и колебания начинают распространяться в сторону ларморовского вращения ионов. Вдоль магнитного поля обнаруживается стоячая волна. Изучен закон дисперсии колебаний. Определены области возбуждения колебаний по магнитному полю и давлению. Установлено, что в коротких разрядных

практически не зависят от концентрации

трубках возбужденно неустойчивых колебаний не происходит. Теория удовлетворительно описывает свойства наблюдаемых на опыте низкочастотных дрейфовых колебаний.

В четвертое глоье помещены результаты.исследования колебаний разрежении!! плазмы - низкочастотных неустойчивых колеба--иий, саыонроиз;шлы1о возникающих в плазме с замагниченными ионами при малых концентрациях электронов / 24,27,28,47,49,54 /. К неустойчивости приводит неквазинейтральность возмущений. Частота неустойчивых колебаний меньше частоты столкновений ионов с нейтральными атомами, дрейфовой и ионной циклотронной частот ( си. рис. I ). Изучены характеристики неустойчивых колебаний, закон дисперсии. Установлена область существования ( см. рис. 2, область ] ). Показано, что при низких давлениях и малых концентрациях электронов к неустойчивости плазмы может приводить совместное действие эффектов инерции ионов и отступления от ква з ил ей трал мое т и в возмущениях ( рис. 2, область III Учет совместного действия этих факторов ведет к появлению нижней по концентрации электронов границы области существования дрейфо-во-диссипатпЕиой неустойчивости. Возникающие в плазме при малых концентрациях электронов значительные отклонения от квазинейтрал ностн в возмущениях сказывайся на возбуждении и законе диснерси колебаний с О) > V,;, . Дрейфовые колебания, обусловленные действием только эффекта инерции ионов, возбуждаются в плазме при высоких концентрациях электронов, зависящих от величины магнитного поля, при низких давлениях газа ( рис. 2, обиасть П ). При этом характеристики колебаний не зависит от концентрации электронов. Эксперименты сопоставлялись с теоретическими расчетами, выполненными при условиях 4<& I ^ /П *> /; 10 ч. которые не всегда соблюдались ( 1- - радиус столба плазмы ). Точное решение системы дифференциальных уравнений показывает, что ошибка даже при ОН-С отноегдельно не нолика.

Пятая глава посвящена исследованиям свойств самовоабуяда-щихся в плазме электрических шумов с непрерывный спектром частот / I,24,44,49 /, которые обнаруживаются в широкой облает изменения параметров плазмы наряду с регулярными, хорошо коррелированными в пространстве и но времени колебаниями, (¡центральная платность шумов спадает с ростом частоты, оставаясь

ю

10

(О

(О

(О

(О

10

<(Г

1 Кпсршш ионов

ч

и Инерция ионов и Неквазмнейтральиост! возмущений -!—)-1— \ \ ' \ I Нвк вязи нейтраль-* ность возмущений' —,-<--1-•— v-—»-1-

Ю'

(О р, Тор

Рис.2. Области существования ризличннх. тиной неустойчивых

колобгжий

отличной от нули вплоть до частот порядка ионной плазменной частоты * В низкочастотной части спектра ( СО) его монотонность &ю:кет нарушаться отдельными пиками, соответствующими регулярным модой ионно-звуковых, дрейфовых и низкочастотны« дрейфовых неустойчивых колебаний. Установлена область • существования шумов по мчгипглоыу полю и давлению. Характерные времена корреляции «умов составляют ? - 10 икс и слабо зависят от величины магнитного поли и давления х'аза. Корреля-щижиие исследования показали, что шуми состоит из волн, распространяющим но азимуту. Изучение их закона дисперсии показало, что в плазме существуют диа типа колебаний с различающимися зависимостями О)(к) . ИерыЛ! соответствует ишшо-зву-itoBi.il.! иеустойчиши колебаниям при учете неквазинейтралыюсти в возмущениях, второй - дрейфоьим при учете конечности нонвог ларцороэского радиуса.

В костой рлацв Приводятся результаты изучения подавления дрейфоьо-диссмнатшшоЯ неустойчивости путем наложения па плазму, ноиещеннуш в однородное аксиальное магнитное поле, слабого дополнительного поперечного магнитного пиля / 25,48,50 /. При отои иаб'лэдаотси иодиьлепие нонно-звуковых, дрейфовых и низко частотных дрейфовых кол^бант!. Наиболее подробно изучено по-дав.'кнни иоино-злуковых неустойчивых колебаний. Показано, что создание поперечного магнитного поли величиной всего 2 - 6 Г при продольном лагит-иом лоло 100 '00 Ге уценьшиел амплитуд, аонно-звукоиоП еакюйоуо'улда«лпе!;сн полни в пеекочько раз.

Существенную [ашъ в попользованном способе подавления киле-бинйй играет оиедпфшш создан ин плазмы высокочастотным разрядов. Л чет высокочастотного ноля, направленного вдоль оси столба илагшы, н слабою поперечного стационарного магнитного поли и диспирининьсы уравпьнни для иошю-звуковиЙ неустойчивости лиз-ъолнот рассчитать границу неустойчивости в зависииисти от величины нопоречииго ¡.штатного поли.

Се/пмип глаьа яоеша.чш изучение иьнзи иеаду радиальный ьлсктричгсииц ноной и ха [иктерао! икаин возбуждающихся в шшз-ые волн / 22,ьО,Г.$ /. В не!' показано, что при достаточно сильной магнитной ноли при зааи'ИнченнсХ ионнх {(0; 'С • /) радшои.-Ш)<: элоктрическо.) АиМи ИДНрЗЙИеНО 1>т С'ГейКИ трубки «с центру

а ого величина намного прошшаст значение <v a' , даваемое

t v

классической теорией, приближплсь к '? -

Использование системы обратных синзоЙ для управление!! уроь-нси самовоэо'ухдавдмхои в плазме колебаний позволило установить зависимость ыэду амплитудой полни и величиной радиального электрического поля. С тол же целью проводилось искусственное возбуждение волн, которое носило резонансной характер.

Наблюдаемые в ош;тах закономерности соответствуют теоретический при учете дополнительных потоков ионов и электронов, вызванных неустойчивыми иолебаниннм. Согласно теории при распространении i; эзиагниченной плазме дреП^овой волны с частотой OJ - о)'* ц достаточно большой амплитудой величина модули радиального электрического поли по «jojrui прелым-гл значения ' ^ >!• что находится в хорошей согласии с эксперименте«. | <-' ' I

Провидено сравнение якоперпментадьных значений радиального пликтричеекого ноля с рассчитанными по измеренный характеристикам симовоабуадаицихсн н шпзио ло»н таким, кап частота, направленно распространения, величина «сшоього ьектсра и амплитуда колебаний потенциала. В соотиетстгаи с опитой расчет показываем, что радиальное электрические поле в намагниченной плазме направлено от стенки трубки и ее центру.

В в ось» о Й главе содоржитен материал исследования нотенциаль-li'ix волн в ппазае разряда постоянного тока в отсутствие ышянего магнитного ноли: бегучие с .г рати и нонно-з луковые волнн / 2 - й, 29 - /« Определены шьяиие граничные давлении для суще-

ствования страт. Показано, что лолпяителытИ столб станопится однородной при укеньиении даилеыш до пнэченил, при которой длина свободного пробега нолотмолышх ионов становится сравниио?! г. радиусом разрядной трубки. Изучены свойства стратошх кодс-би~ mitt вблизи груннп.и и>: исчезновения, их закон дисперсии. Вблизи тин ей границы существо i-сшия бегущих страт но давчению внерше обнарумени волны с непрерывном оиектроы частот. Исследован их закон дкепf.-pcHH. Показчно, что колебания писк* схратолу» природу н вид их спектра отвечает щшдекззашшм теории иоиизацконно-дий-Фуааошюго йехажта нозбу.чдешш стрит.

Наин показано, что при при низких д.и'денмях газа, меньших 1 • Ю'^Тор, в ллазпо лолмитсльного столб;» о током еаиопрсизиольиг»

возбуждаются ионно-звуковые волны, раапространяющиеся без затухания в направлении дрейфа электронов в электрической поле / 2 - 4,6,7, 30 -32,34 /. Изучены спектры их колебаний, исследован закон дисперсии длинноволнового участка спектра. Показано, что найденная в эксперименте дисперсия ионно-звуковых волн удовлетворительно соответствует теории.

На55дено, что при уменызении давления ниже, чем 0,1 Тор, колебания ионно-звуковой природы возбуждаютвя в зоне расположения головы положительного столба, а также в зоне головы стоячих страт, где имеются скачки продольного градиента потенциала. Воздействие ва область скачков потенциала разряда постоянного тока высокочастотным электрическим полем приводит к подавлению колебаний / 59 /.

Нами показано, что бегучие страты оказывают влияние на работу газовых лазеров, снижая юс мощность и вызывая флуктуации выходного излучения / 8 /.

Специальные исследования страт проведены в неоднородной плазме с использованием разрядных каналов конусообразной формы с небольшим углом раствора / 25,26,51,52,55 - 58,67 /.Разработаны способы подавления естественных и искусственных страт /64-66 /.

Основные результаты работы

I. Экспериментально показано, что в бестоковой газоразрядной плазме с градиентом плотности, перпендикулярным магнитному полю, может развиваться дрейфово-диссипативная неустойчивость. В зависимости ох конкретных условий возможно возникновение одной из четырех ее разновидностей : дрейфовой, ионно-звуковой, низкочастотной дрейфовой, а также неустойчивости разреженной плазмы.

а). Достоверно экспериментально обнаружено, что под действием эффекта инерции ионов в плазме возбуждаются предсказанные ранее теоретически дрейфовые и ионно-злуковыс колебания.

б). Впервые обнаружены низкочастотные дрейфовые колебания и показано, что при их возбуждении существенную роль играет эффект конечности ионного лариоровского радиуса.

в). Показано, что в стационарной иоизотермической плазме с малой плотностью электронов может самопроизвольно возбуждаться

еще один тип низкочастотных колебаний, обусловленных отступлением от квазинейтральности в возмущениях (колебания разреженной плазмы).

г). Впервые выявлены условия, при которых к неустойчивости в плазме ведет совместное действие эффектов инерции ионов и отступления от квазинейтральности в возмущениях. Показано, что некмэинейтральность возмущений при низких концентрациях электронов в плазме необходимо учитывать при описании неустойчивых дрейфовых и ионно-злуковых колебаний.

2. Изучены условия возникновения, области существования и законы дисперсии четырех типов неустойчивых колебаний дрейфово-диссипатлвного механизма возбуждения.

3. Проведен анализ самопроизвольно возбуждавдихся в плазме шумов, обладающим широким непрерывным спектром частот. Установлено, что эти шумы шиеют дрейфовую и ионно-звукозую природу.

Показано, что аномальная величина радиального электрического поля в плазме в магнитном поле связана с самопроизвольным, возбуядением в ней колебаний.

5.Разработан способ плавной регулировки величины радиального электрического поля в плазме при искусственном возбуждении в ней волн.

6. Показана возможность расчета величины радиального электрического поля в неустойчивой плазме по известным характеристикам волн. Измеренные значения электрического поля'находятся1 в удовлетворительном согласии с'расчетными, - .

V, Предложен способ подавления неустойчивых колебаний дрейфов во-диссипативного механизма возбуждения (ионно-звукових, дрейфовых, низкочастотных дрейфовых) путем наложения на плазму, помещенную в однородное аксиальное магнитное поле, дополнительного слабого поперечного магнитного поля. Установлено,, что в механизме подавления неустойчивости существенную роль играет специфика приготовления плазмы ВЧ разрядом, обеспечивающая наличие в этой плазме направленного вдоль оси столба переменного электрического полн. " .....

8. Предложен и апробирован способ определения температуры электронов в плазме, помеченной в немонотонно Изменяющееся н пространстве магнитное поло, по измеренному профилю линии циклотронного погловдашл электромагнитной волны. Обнаружено

хорошее количественное соответствие значений электронных температур, найденных по электронному циклотронному поглощении и с помощью электрических зондов.

Разработан способ определения концентрации электронов в плазме на основе измерений коэффициентов прохождения и отражения электромагнитной полни в неоднородном магнитном поло.

Способы определения температуры и концентрации электронов нашли применение как при измерениях в слабо ионизованной плазме, гак и в термоядерных системах ( адиабатические повушки ).

9. Показано, что в слабононизонаниой газоразрядной плазме с током при давлениях газа кике 0,01 Тор происходит самопроизвольное возбуждение ионно-звукових волн. Определены условия их воз- , Суждения, установлен закон дисперсии. Проверена выполнимость теории возбуждения волн. Установлено, что при более высоких давле- . нилх приблизительно до 0,1 Тор ионно-эвукоше колебания воэбуидэ» ются в зоне головы положительного столба, где имеется резкий скачок продольного градиента потенциала. При удалении от области их возбуждения к аноду происходит затухание волн.

Ю. Обнаружено, что при самих низких давлениях для существования бегучих страт они обладают непрерывный шумовым спектром в определенном интервале частот, внутри которого наблюдается распространение волн. Такой вид спектра отвечает предсказаниям теории ионлзационно-диффузионного механизма возбуждения страт.

Показано, что бегущие страты сшшант мощность и выбывают флуктуация выходного излучения газового лазера.

• На основе изучения свойств страт в неоднородной плазме разработаны способы их подавления, что позволяет создавать конструкции активных элементов газовых лэзерон.

Основные результаты работы содержатся в следующих публикациях :

I. Шыышш Б. IU,Васильева t.i.Я.,Зайцев A.A. Шумы плазмы высокочастотного разряда в магнитном поле. - Радиофизика, 1964, 1.7, №5,с. 844 - 847.

2. Швилкин Б,H.,Глотова H.H. U!ywi разряда низкого давления. -Вестник МГУ,сер. 3,<;иэика,астрономия,1965,с. 81 - 82.

3. Зайцев А.А.,Милич П. .Рухадзе A.A..Шемякин В.Н. О возбуждении ионного звука в плазме.помещенной в сильное электрическое поле. - ¿СТФ, 1967,т. 37,tf 9,с. 1607 - IG 16.

4. Зайцев A.A. ,Швилкин Б.Н. Волны и туш в плазме положительного столба. - ДАН СССР, 1967,т. 172,Г- 3,с. 565 - 568.

5. Зайцев А.А.,1Ерилкин E.H. .Характер подвиг.них стрят вблизи границ их исчезновения при уменьшении давления. - Радиотехника и электроника,1967,т. 12,V- 4,с. 726 - 736.

6. Зайцев A.A. ,Иыглхш Б.Н. Вол ни в положительном столбе разряде при низких давлениях. - Известия высших учебных заведений. Радио<|изика, 1960,т. II,с. 1274 - 1275.

7. Зайцев A.A. ,Швилкин D.H. ,1,'ахров В.'i. Низкочастотные волны в плазме разряда постоянного тока. - Радиотехника и электроника, Ii69,т. 14,№ 4,с. 723 - 730.

8. Заицеь A.A.,Махров В..Савченко ¡I.A.,Швилкин Б.Н. Нлил-ние iJjiyKVyauHi\ в 1>ааряде на В1£ход лазерного излучения. -т,К6У,т. 39,Г,: 4,с. 764 - 770 ; Гордеев Д.В.,Закцев A.A., ПаХ[Х)П D.'I'.,Савченко И. А. ,Швилкин Б.Н. Экспериментальное исследование влияния нестабилыюотей на излучение гелий-неонового ОКГ. - Электронная техника,1969,сер. 3,Г' 2(14), с. 103 - ИЗ; Гордеев Д.В..Зайцев A.A.,Махров В.<1..Савченко H.A.(Ёьилкии Б.Н. Некоторые особешюсти колебаний в гелий-неонових 01СГ в связи с их влиянием на лазерный выход. - Электронная техника, IÇ70,t- 2(18),с. 22; Зайцев A.A. Махров В.Ф.,Савченко. H.A.,Шшшшн В.Н. Взаимодействие различных типов собственных колебаний в разряде. - Сб. Колебания и волны в плазме, КЗ-ш "Наука и техника",Нянек,IC7I, с. 72 - 713.

9. Швилкин Б.I1,.,Постников С.А. О неустойчивости бестокового pay<jji.;(a в имчштном поло. - Радиотехника и оле.чтроннка, 1970,т. IL>,h: 12,с. 2647 - 2650.

10. Альтеркоп Б.А..И'г-.илкин Б.Н. О колебаниях слабо ионизованной неоднородной плазмы. - !Ш,1971,т. 41,г? 5,с. 985 - 991.

11. Шишкин r..ll.,'Jai.nei) A.A. Неустойчивость 1ша;к,м высокочастотного разряда ь магнитном поле. - Сб. Колебания и вол1Ш в плазме,Из-ио "Наука",Минск,IC7I,с. 116 - 119.

12. Швилкин Б.Н..Низкочастотные колебания в слабо ионизованной бестоковой плазме з продольной магнитном поле. - ДАН

^ СССР,1971,т.199,!£б,С. 1236 - 1288.

13. Швилкин Б.Н..Блинова Т.Л..Постников С.Л. Низкочастотные колебания в плазме высокочастотного разряда в магнитном поле. - Радиотехника и электроника,1971,т.1б,feil, с! 2224 - 2226.

14. Швилкин Б.Hl,Постников С.А..Сковорода A.A. О дрейфовых колебаниях в неоднородной бестоковой плазме высокочастотного разряда в магнитном поле. - Радиотехника и электроника, 1973,т. 18,№12, с. 264.4 - 2647.

15. Постников СЖ, Швилкин Б.Н. Изучение дреКфово-диссипахивно; неустойчивости в плазме высокочастотного разряда в магнитном поле. - Физика плазмы,1975,т.I,№6,с. 884 - 8911

16. Постников С.А..Сковорода A.A.,Швилкил Б.Н. О низкочастотной дрейфовой неустойчивости плазмы высокочастотного разряда в магнитном поле. - £ГФ,1975,т„45,№3,с. 508 - 514.

17. Тимофеев А.В.,Швилкин Б.Н. Дрейфово-диссипативная неустойчивость плазмы в магнитном поле. - УФН,1976,т.118,*;2,

. с. 273 - 306^

18. Сковорода A.A.,Швилкин Б.Н. Изучение циклотронного поглощения электромагнитных волн в плазме в неоднородном магнитном поле. - 1ЭТФ,197б,т.70,И?5,с. 1779 - 1784.

19. Сковорода А.А.,Швилкин Б.Н. Циклотронное поглощение электромагнитных волн в волноводе с плазмой в неоднородном магнитном поле. - Радиотехника и электроника,1977,т122, К?3,с. 63.7 - 639.

20. Сковорода А.А.,Швилкин Б.Н. Просветление области электронного циклотронного поглощения в плазме в неоднородном маг. нитноы пол.;! - Н.ТГФ, 1978,т.75,№3(9), с'. 898 - 903^

21. Сковорода A.A.,Тимофеев А.В.,Швилкин Б.Н. Определение температуры плазмы по циклотронному поглощению в неоднородном

т магнитном попе'. - 1ЭТФ,1977,т.73.»2(8),с1 526 - 536^

221 Белавин И.И.,Тимофеев А.В.,Швилкин Б.Н. К вопросу об аномальном электрическом поле в замагниченной слабо ионизованной плазме. - Физика плазмы,1980,т.6,te3,с. 705 - 715.

25. Белавин М.И.,Швилкин Б.Н, Подавление неустойчивосхей

дрейфово-диссипативного механизма раскачки. - Физика плазмы, 1979,т.5,£6,с. 1286 - 1292.

24.Белавин U.U.,Чернышева H.H.,Ивилкии Б.Н. Изучение электрических шумов плазмы ВЧ разряда, помещенной в однородное магнитное поле. - Физика плазмы,1982,т.8,М,с. 155 - 162.

25. Маслова Л.И.,Савченко И.А,,Швилкин Б.Н. Страты в конических разрядных трубках. - Физика плазмы,1984,т.Ю,с.

808 - 814.

26. Маслова Л.И.,Савченко H.A.,Швилкин Б.Н. Страты в неоднородной плазме з инертных газах. - Физика плазмы,1986,т.12, teI2,c. 1474 - 1478.

27. Бондаренко В.Е..Иванова О.П.,Швилкин Б.Н. Низкочастотные колебания в замагниченной плазме, вызванные отступлением от квазииейтралыюсти в возмущениях. - Физика плазмы,1987,т.13, *1,с. 66 - 72.

28. Бондаренко В.Е.,Швилкии U.U. Особенности дрейфово-дисеи-пативной неустойчивости замигниченной плазмы. - Физика плазмы, 1987,т.ТЗ,К?7,с. 876 - 879.

29. Швилкин E.H.,Зайцев A.A.,Васильева М.Н. Радиочастотные шумы в газоразрядных приборах тлоэдего разряда с холодным катодом, - 1-я Всесоюзная конференция по газоразрядным приборам, Рязань,1966,с. 21 -25.

30. Швилкин Б.Н. Ионно-звуковые волны в плазме положительного столба. - 1-я Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы,Киев,1966,с. 86 - 87.

31* Швилкин Б.Н. Электроакустические волны и иумы в плазме. -Научная конференция "Ломоносовские чтения",МГУ,1966,с. Г2.

32. Зайцев А.Д.,Магров й.Ф.^/ниляин Б.Н. Радкочастотдне шумы

в тлеющем разряде низкого давления. - 1-я Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы,Киев,1966,с. 50 -51.

33. Зайцев A.A.,Жданов В,С.,/Тарфентьева H.A..Швилкин Б.Н. Вращательная неустойчивость пеннинговского разряда. - 1-я Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы,Киев, Í966,c. 50.

34. Zaitaev A.A.Sh/ííkin В.if. lonlk sound waves In the positiv« oolumu oí » low-pressure diaciir.rge. - Proo.S-tli Int.Oonf.on íheuomeii» in ionizad Gases, VI emift, 1967,p..'ji>'3.

35. Зайцев А.А.,Швилкин Б.Н. Вращательная неустойчивость плазмы высокочастотного разряда в магнитном поле. - 2-я Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы,Минск,1968,

с. 302.

36. Зайцев А.А.,Швилкан Б.Н.»Савченко И.А.,Махров В.ф. Особенности гаэового разряда в активных элементах ОКГ. - Научная конференция "Ломоносовские чтения",ИГУ,1970,с. 95 - 96.

37. Shvilkin B.N..Poatnikov S.A. Oacillatione in weakly ionized currentleaa plaama of HP discharge in magnetic field. - Proc. 10-th Int.Conf.on Phenomena in Ionized Gaaea.London,1971,p.276.

38. Shvilkin B.N. .Poatnikov S.A. .Skovorode A.A. Oaoillationa of drift-dlsslpative nature in weakly ionized pltama.- Proo.11-th Int.Conf.on Phenomena in Ionized Gaaea.Prng»,1973,p.314.

39. Постников С.А.,Швилкии Б.Н. Обнаружение и исследование аизкочастотных колебаний в бестоковой плазме в магнитном поле. — Научная конференция "Ломоносовские чтения", МГУ,1974,с. 15.

40. Постников С.А.,СкоЕорода А.А.,Швилкин Б.Н. Дрейфовые колебания и волны в слабо ионизованной плазме в магнитном поле. -4-я Всесоюзная конф. по физике низкотемпературной плазмы, Киев,1975,с. 100.

41. Постников С.А.,Сковорода А.А.,Швилкин Б.Н.,Адилова З.А. Ионно-звуковые колебания в слабо ионизованной плазме в магнитном поле. - 4-я Всесоюзная конференция по физике 'низкотемпературной плазмы,Киев,1975,с. 99.

42. Shvilkin B.N..Poatnikov S.A..Skovoroda A.A. Ion acouatic and drift oacillations in an inhoraogeneous weakly ioniaed plasma in magnetic field.- Proc.12-th Int.Conf.on Phenomena in Ionized Gases. Eindhoven,1975.p.311.

43. Shvilkin В.1ч. .Poatnikov S.A..Skovoroda A.A. Low-frequency drift oscillations in a weakly ionized plasma in magnetic field. Proc.12-th Int.Conf.on Phenomena in ionized Gaaea, Eindhoven, 1975,p.312.

44. Balavin И.I.,Shvilkin B.N..Skovoroda A.A. Investigation of the noises in uenkly ionized plasma in magnetic field.- Proc. 13-th Int.Conf.on Phenomena in Ionized Gaaea,part 11.Berlin,1977, p.773-774.

45.Shvilkin B.N. .Skovoroda A.A. Propagation oi electromagnetic wavea in * pi»emu located in inhomogeneoua magnetic field in th« preaence of electron cyclotron reaonanco.- Proc. 13-th Int.Conf. on Phenomena In Ionized Gaaea, pert 11, Berlin, 1977, p.801-802.

46'. Сковорода A.A^,Тимофеев А.В.,Ивилкин Б.Н. Определение температуры электронов по циклотронному поглощении в магнитном поле пробочной конфигурации. - 10-ый симпозиум по УТС, Звенигород,1977,с. 22.

47. Швилкин Б.Н. Механизмы раскачки неустойчивости в плазме, помещенной в магнитное поле. - Научная конференция "Ломоносовские чтения",МГУ,1978,с! 42.

48. Белавин М.И.ДривченЛва И.А.,Швилкин Б.Н. Стабилизация дрейфово-диссипативних неустоЙчивостеЙ высокочастотного разряда в магнитном поле поперечным магнитным полем. - 5-я Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы, Киев,1979,с. 79.

49. Белавин Н.И.,Ивилкин Б.Н. О природе нерегулярных колебаний в слабо ионнзованной плазме в магнитном поле. 5-я Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы,Киев,

1979,о. 80.

50. Белавин М.И.,Швилкин Б.Н. Стабилизация иовно-звуковой неустойчивости в разряде в магнитном поле поперечным магнитным полем. - 15-я Международная конференция по явлениям в ионизованных газах. Стендовый доклад,Минск,1981.

51. Швилкин Б.Н.,Маслова Л.И.,Савченко И.А. Особенности раз--вигия бегучих страт в плазме конической геометрии. - 6-я Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы,т.2, Ленинград,1983,с. 60 - 62.

52. Maalova b.I. ,S«r*henlto I.А..Shvilkin B.N. Suppreaaion of moving atriationa in the direct current flow diacharg».- Proc. 17-th Int.Conf. on Phenomena In Ionized Uaaea.vol.1.Budapeat,

p. )Ь2-1С4.

53. Bondarenko V.B..Shvilkin B.N. About aome pvculicritiea of a drift-diaaipative inativMllltj in an inhomogeneoua plaama.- Proc. 17-th Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gaee»,vol.1.Budapeat, 1985.p.70-72.

54. Еондаренко В. Е. ,11'вплкин Б.Н. Неустойчивость ограниченно!* плазмы при малых концентрациях элект^юнов в магнитном поле. - 3-я Всесоюзная конференция по (¿изико газового разряда,часть II,Киев,1986,с. 177 - 179.

55. Маслова Л.И.,Мискинова H.A.,Савченко H.A. Д'вилкин E.H. -U возможности подавления йлуктуаццй,вызванных самопоз-бужденюл.и стратами, в активном элементе газового лазера. II Всесоюзная конференция "Физические проблемы оптической связи и обработки информации",Севастополь,1991,с. 73.

56. Маслова Л.И.,шсжшюва H.A.,Савченко H.A..Швилкин Б.И. Подавление слуктуацмГцвкзванншс стинулщоиашиг/и стратами в активном элементе газового лазера. - II Всесоюзная конференция "Физические проблемы оптической связи и обработки информации",Севастополь,Х991,о. 74.

57. Маслова Л.И..Мискинова H.A..Савченко и.А.,Швилкин Б.Н. Подавление бегущих страт в плазме. - III всесоюзная школа по взаимодействию электромагнитных волн с твердым талон, Саратов,1991,с. 190.

58. Маслова Л.И.,Мискинова H.A. .Савченко И.А. ,Шаилкин Б.Н. Ионизационные волны в плазме газоразрядных трубок конической (£орш. - III Всесоюзная школа по взаимодействию электромагнитных волн с твердым телом,Саратов,1991,с.IB4.

59. Шли л кин Б.Н.,Зайцев A.A. Способ осуществления ¡газового разряда. - Авторское свидетельство S- 177546, 1965 г.

60. Нвиякин Б.Н. Высокочастотный генератор плазмы. - Авторское свидетельство № 6266G0, 1978 г.

61. Сковорода А.А.,Тимофеев A.B.,Швилкин Б.Н, Способ измерения электронной температуры плазмы,помещенной в магнитное поле. - Авторское свидетельство 11" 720567, 1979 г.

62. Сковорода А.А.,Тимофеев A.B.,Швилкин Б.Н. Способ измерения концентрации плазыи в магнитном поле. - Авторское свидетельство Р 7549С7, 1980 г.

63. Белавин Ы.И.,Ериошин В.Д. .Евнлкин Б.Н. Способ создания высокочастотного газового разряда ь продольном магнитном поле. - Авторское свидетельство К- 872859, 1981 г.

64. Шеилкии Б.Н.,Савченко Н.А.,йискинова H.A. Устройство для получения разряда постоянного тока. - Авторское свидетельство Р.? 968865, IS82 г.

65. Маслона Л.И.,Миекш1она И.А.,Саичеш;о U.A..Шпилкин Г'.II. Уетроистоо /уж получения газового разряда постоянного тока. - Амоуское свидетельство Ii- А202ЬЛ0, 1988 г.

66. 1.1ас л о на Л.I!.,Савченко И.А.,111т1ЛШШ Б.Н. Устройство доя получения газового ргарндн постоянного тока. - Авторское свидетельстго V- 4Э32839, 1980 г.

G7. Маслов.ч Л.И.,Миекиноьа H.A..Сявчыпсо !1.А.,1!1г)шашн Б.Н. Способ нослсдиьлшт [анряда и газоразрядных трубкпх и ycTj-olicTiiO для его осущеетшюшш. - Авторское свидетельство Г- .16Ö7CÜ7, I0Ü9. 68. Шы!лк:ш ПЛ. Способ 011|)«."/.шон1гя объемюго заряда в плазме. Авторское cLH.'i.c'i'.-.jibcTiio 1,1 4t"»üUK?9, ICi;9.