Динамика плазменных токов, индуцированных релятивистских электронным пучком в газе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

л Сй ' Я

ЦГЛДШНЯ ялпс сосг

отдай яхяшл н огани «стявлскоя теоямпии

ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

иымн пп. твддсал

На правах рукописи Ш 533.911

ЯНОВСКИЙ АДЦИЕЙ

ДИНАМИКА ПЛАЗМЕННЫХ ТОКОВ, ИОЦУЦИРОВАИИЫХ РЕЛЯТИВИСТСКИМ ЭЛЕКТРОННЫМ 1ШМ В ГАЗЕ

(Специальность 01.04.08 - физика « хиизя плазма)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой ствгоми кандидата физнко-матеыатичоских наук

Москва, I

Г

Работа выполнена в Физической институте км.П.Н.Лебедева АН СО Научные руководители:

доктор физико-иатеиатпчаских наук, профессор А.А.Кодоиенский, кандидат физико-математических наук Б.Н.Яблоков. Официальные оппоненты:

доктор физико-«.»тематических наук, профессор А.Ф.Александров, доктор физико-математических наук, профессор Г.9.Норнам. Ведущая организация: Институт высоких температур АН СССР,

на васедании Специализированного Ученого совета 0 Института общей фиакш АН СССР по адресу: 117942 Москва, ГС11-В-333, уд.Вавилова, 38,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФАН СССР.

г.Москва.

Защита состоится " 1991 г., в /Г

часов

Ученый секретарь Специализированного совета доктор физ.-цат.наук, профессор

и/ии*/

Н.А.Ирисова

ОБЩАЯ ХАРАКТЬРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию ряда физических процессов, протекающих при инхекции сильноточного электронного пучка в нейтральный газ высокого давления и, в особенности, влияние пространственного заряда и индуцированных токов на транспортировку пучка.

Актуальность работы.

Развитие сильноточной электроники с 60-х годов привело к возникновению сильно разветвленной области знаний. В последние годы особенно много внимания уделяется теоретическим и экспериментальным исследованиям транспортировки энергии на болькно.расстояния, накачки газовых лазеров и инициирования плазьюхишшоских реакции. Среди ряда проблей, возникающие при практической реализация названных задач и обуславливающая* актуальность работы, иожно откатить :

- роль индуцированных плазменных токов в вццелении энергии и.то-копроховдении пучка,

- влияние пространственного заряда на транспортировку пучка и селективность передачи энергии в отдельные плазменные процессы,

- возможность управления полями пространственного заряда и плазменными токами.

Цель работы.

Экспериментальное исследование, проведенное в диссертационной работе, ставило перед собой следующие цели:

I. Определить пространственно-временные характеристики проводимости плазмы, создаваемой пучком, и роль плазменных токов в передаче энергии пучка газу.

ч

2. Исследовать влияние примеси электроотрицательного газа на транспортировку пучка и динамику плазменных токов.

3. Провести комплекс измерений зависимости характеристик плазменного тока от сорта и давления плотного газа.

Научная новизна работы.

В работе впервые были обнаружены следующие явления:

а. Возникновение осцилляции плазменного тока при добавлении электроотрицательного газа в инертный газ. При возрастании концентрации примеси уменьшается амплитуда регулярной составляющей плазменного тока, и возрастает амплитуда осцилляции.

б. При добавлении небольших количеств элегаза 0.03%) к инертному газу в несколько раз возрастает степень токопроходцения пучк^.

п. Обнаруженные различия в пространственных распределениях и временной динамике плазменных токов позволили сделать ряд выводов о физико-химических процессах, протекающих в созданной пучком плазме, и роли электрических полей, индуцированных РЭП.

г. Предложена методика определения временного хода и распределения проводимости пучковой плазмы по радиусу камеры. Расчет использует зарегистрированные распределения плотности тока пучка и индуцированного плазменного тока.

д. Наблюдалось возрастание проводимости плазмы, создаваемой пучком, дс максимальных значений после окончания импульса РЭч. Исследование пространственного распределения проводимости плазмы показало смещение максимума проводимости на периферию плазменного канала.

Научная И практическая ценность работы. На основании проведенного в работе экспериментального иссле-

дования выяснены возможности увеличения эффективности взаимодействия пучка электронов с газовой средой. Результаты исследований можно применять при проектировании газовых лазеров с наличкой сильноточной РЭП. Возникает также возможность использования ноля пространственного заряда как дополнительного канала энерговклада пучка в газовую сраду. Сказанное выше относится и к проблеме оптимизации плазш-химических реакторов, в частности, предназначенных для очистки промышленных газов. Названные задачи определяли выбор газов в экспериментальной исследовании. Ток, аргон с добавками электроотрицательного газа иыиттировал рабочую среду акеимо-рного лазера. Исследования взаимодействия РЛ1 с воздухом и азотом актуально в проблеме радиационной очистки газов. Соответствующим образом выбирались давления газов (150-750 торр) к энергия пучка, при которой длина пробега электронов соответствует размерам, характерным для вше названных приложений. Предлоианная методика воспроизведения пространственно-временной динамики проводимости плазмы имеет самостоятельную научную ценность как инструмент исследования процессов взаимодействия РЭП с газом и плазмой.

Положения, выносимые на защиту.

I. Разработана методика определения проводимости плаамы на основе Экспериментально наблюдаемых распределений индуцированного плазменного тока и тока пучка

И. Максимальная проводимость плазмы, созданной РЭП в нейтральном газе, наблюдается на периферии плазменного канала, что свидетельствует о существовании дополнительных механизмов ионивацнй в этой области.

3. При инжекции пучка в аргон атмосферного давления обнаружено значительное ухудшение коэффициента транспортировки РА1 г:о сравнению со значениями при низком давлении. Добчплени<- мзлих

количеств электроотрицательного газа способно восстановить уровеш токопроховдения пучка. Так, примесь з?б в количестве ~О,0Э£ вызывает трехкратный рост токопрохоадения пучка в аргоне на расстояние 0.55 м.

. 4.< Прииесь электроотрицательного газа вызывает исчезновение регулярной составляющей плазценного тока и появление его осцмллл-ций.

Определены пространственное и временное поведение индуцированного плазменного тока и степень магнитной компенсации РЭП для различных газов в диапазоне давлений 150-170 торр.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты опубликованы в работах 1&-7а . Материалы, содержащиеся в диссертационной работе, докладывались на семинарах Лаборатории проблем новых ускорителей Физического института АН СССР, Отдела физики плазмы Института общей физики АН СССР, Отдела низкотемпературной плазмы Института физики плазмы- и лазерного микросинтеза (Варшава), а также на мездународных конференциях по мощным пучкам ыомз' 68 (Карлсруэ, ФРГ) и вшсз' 90 (Новосибирск) .

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения и заключения и содержит страниц, 61 рисунок и библиографию, включающую 90 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснован выбор темы диссертации и сформулирована цель работы. Определена новизна работы, представлены впервые обнаруженные эффекты и новые методики. Кратко изложено содержание

н структура работы*

Дан короткий обзор современного состояния исследований в области сильноточной электроники и, в частности, транспортиревка и взаимодействия РЭП с нейтральным газом. Внимание сосредоточено на физических процессах, возникающих при инжекцни РЭП в газ( 'а именно: динамике процесса создания плазмы, собственных пол®: rgv чка, а также процессах зарядовой и токовой компенсации и ¡¡оуста-йчнвостях пучка. Обсуждается место сильноточной электроки:ш в научных исследованиях и технике.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена краткому описанию экспериментальна стендов, на которых были получены результаты данной работы. Сильноточный ускоритель "ТЕРЕК-IP" (ИОФАН) генерирует пучок со. следу» одими параметрами: 1«7.5 кА, е*1.2 ЫэВ, те 70 не, зь«б(Ю А/си . Ускоритель 0мега-6 (ИШиЛМ): х =» 10 кЛ, е=«0.7 МэВ,гь

р

не, 3ьвб00 Л/см , Пучок инжектировался через титановую фольгу в камеру дрейфа со следующими размерами: на стенда Терек-!? ее диаштр составлял IÜ см, дшша 55 см, а для Оыега-б, соответственно, 15 см и 20 + 120 cts. Непосредственное измерение цяаз-иенных токов осуществлялось при помощи секционированного коллектора электронов, энергия которых была ниже 20 кэВ. Профили плотности тоКа пучка регистрировались секционированным откачиваемым цилиндром Фарадая. Кроме того,экспериментальный стенд Омега-6 дает возможность проведения следукядих измерений: определение полного энорговклада в газ методом измерения скачка давления: измерение спектра электронов пучка; определение параметров плазмы при помощи оптических диагностик (интерферометрия, спектроскопия). Исследования проведены для воздуха, азота, аргона и его смесей с в диапазоне давлений 175 + 750 торр.

БО ВТОРОЙ ГЛАВЕ описаны результаты исследования временных и пространственных характеристик плазменных токов, индуцированных РЭП, особенностей токовой компенсации и транспортировки пучка в различных газах при разных давлениях.

1. Временной ход плазменных токов представлен на рис.1.

Характер плазменного тока в аргоне свидетельствует о том, что

цремя спада концентрации плазменных электронов более чем на порядок превышает времена диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов аргона. Анализ кинетики пучковой плазмы аргона показывает, что индуцированное электрическое поле вызывает нагрев плазменных электронов на 10-15% по отношению к значениям Т0 , установившиеся в плазме аргона в отсутствии поля. Подобное изменение температуры электронов выызвает значительное возрастание константы ступенчатой ионизации, в то время как скорость диссоциативной рекомбинации практически не меняется. Б результате, спад концентрации плазменных электронов происходит уа длительное время ( 14С не), что соответствует нашим экспериментальным наблюдениях. В воздухе и азоте распад плазменного тока происходит за времена, сравнимые с длительностью импульса тока пучка. Ори этом в спаде тока в азоте можно различить фазы, обусловленные как диффузией магнитного, поля, так в распадом плазмы [I]. Сложная плазмо-химическая кинетика воздуха не позволяет различать конкретные процессы, ответственные за распад плазменного тока.

2. Б распределении плазменных токов, изображенных на рис.2, максимальные значения токов приходятся на периферийные области пучка. Несоответствие между формой распределений плазменных токов (.максимум на периферии пучка) и распределением пучкового тока свидетельствует о наличии на периферии пучка механизмов ионизации более эффективных, чем ионизация электронами РЭП. Подобным

механизмом может служить лавинная ионизация, возникающая при в tinoco поля пространственного заряда на периферию плазменного канала в ходе нейтрализации пучка [2].

3. Степень токовой компенсации пучка в аргоне и воздухе составляла 0.3 при давлении 17£> - 600 торр и падала до 0.14 при атмосферной давлении. Степень токовой компенсации в азоте была незначительная и составляла~0.1 со всем диапазоне исследуемих давлений (рис.3).

4. В третьей главе сравниваются результаты измерений токопро-хождения пучка в разных газах на расстояние 55 cu с расчетами ¡ выполненными по методу Мойте Карло Г 3J. Для аргона токопрохозде-

1ШО монотонно падает с ростом давления. Экспериментальные данниз i

показывают спад коэффициента переноса тока от 0.7 для 175 торр до 0.21 для 750 торр. При атмосферном давлении экспериментальные значения в 2.5 раза меньше чем расчетные. Другая картина наблюдается в случае воздуха и азота. Хотя расчеты также дают большнз значения токопрохождения, нежели зарегистрированные в эксперименте, но наибольшие различил обнаруживаются при пониженных давлениях. Транспортировка электронного пучка в воздухе и азоте ухудшается при уменьшении давления от 500 до 175 торр (рис.4). Причиной гтого явления может быть развитие крупномасштабной резистив-ной неустойчивости в области давлений 100 - 300 торр, подобной наблюдавшейся в работе [4J.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассматриваются вопросы влияния добавки электроотрицательного газа (SFg) на транспортировку пучка в аргоне и динамику плазменных токов. Как было отмечено выше, при транспортировке пучка в аргоне ( р - 7Ь0 торр) степень токопрохождо-ния РЭП была в 2.0 раза ниже расчетной. Обнаружено, что небольшие добавки элсгауа (0.1%) восстанавливают токопрохоздениэ до урорнл, предсказанного теорией fрис.5). При атом плазменные ток»,

хщдуцкрованные РЗП уменьшаются, практически до нулевых значений. Расчеты, ышолпешша на основе модели физической кинетики пучковой плазмы смеси аргона и элегаза показывают, что последний результат является естественным следствием интенсивного прилипания электронов к электроотрицательной молекуле ЗР^ . Описанный вше эффект роста степени токопрохождения пучка может являться результатом уменьшения плазменных токов по следующим причинам: во-первых', подавляется развитие крупномасштабных рсэистивных неус-тойчивостей, вызванных взаимодействием РЭП с плазменным током, и, во-вторых,, фокусировкой РЭП в собственном магнитном поле, возрастающем по иере ослабления токовой компенсации. Другой возможной причиной наблюдаемых зависимостей мояет служить развитие иикро-иеустойчивостей при инхекции пучка в чистый ергон и подавление ее при добавлении элегаза. При температуре электронов плазмы Х0 0.3 эВ (Б] сечение упругих столкновений электронов с атомами аргона имеет минимальное значение, обусловленное аффектом Раыза-уэра. При соответствующей частоте столкновений V» выполняется условие эффективной передачи энергии пучка плазменным колебаниям в ходе пучково-плазменной неустойчивости. Добавление к аргону приводит к разогреву плазменных электронов, вследствие преимущественного прилипания медленных электронов ( 0.2 зВ), при этом частота столкновений повышается до значений, достаточных для подавления неустойчивости.

В работе наблюдались осцилляции плазменного тока с частотой 120 + 20 МГц и амплитудой, возрастающей по мере увеличения парциального количества ВУ^ в смеси. Обсуждается природа этих колебаний-

Результаты исследований, приведенные в данной главе, могут иметь прикладное значение в связи с проблемой повшения эффектив-

ности лучковой накачки лазеров на галогенидах инертных газов.

В ЧЬТВЬРТОИ ГЛАВЕ обоснована методика определения проводимости плазмы по распределениям тока пучка и плазменного тока и приведены результаты для проводимости плазменного канала, образованного РЭП.

1(ро?еденные в работе одновременные измерения плотностей тока пучка и индуцированного плазменного тока з (»,♦) по-

зволяют определить проводимость плазменного канала о*(г,*) .используя формулу II).

С поиощью изложенной выше методики получены данные о пространственном и временном поведении проводимости плазменного канала,образованного РЭП в исследуемых газах (рис.б).

Обнаружено, что максимум проводимости плазмы, созданной при инжекции РЭП в воздух и азот находится в области периферии пучка, а в случае аргона - смещен к край камеры дрейфа. Причиной этого явления, так же как и в случае распределений: плазменных токов, Кокет служить лавинная ионизация в йолях пространственного заряда пучка (2]. Проведен расчет энерговклада плазменных токов в газовую среду.

В ПРИЛОЖЕНИИ изложены физические основы математической модели транспортировки пучка Iметод Ыонте Карло) и модели кинетики плазмы *

ЗАКЛШЕЩЕ

В диссертационной работе содержится новое решение задачи о osa-зызнных токах, индуцированных при шшекции релятивистского электронного пучка в нейтральный газ. На основе комплексного экспериментального и теоретического исследования определены основные закономерности динамики полей и токов, возникающих при взаимодействии РЭП с газовой средой. Результаты данной работы имеет существенное значение для физики пучков заряженных частиц и могут быть использованы в системах инхекционной газовой электроники (газовых лазерах с накачкой РЭП, плазмохкмических реакторах, инжокционных коммутаторах и др.).

Основные результаты и выводы работы, ' I, Создал сильноточный электронный ускоритель "Омега-6" и экспериментальный стенд для исследования процессов, связанных с взаимодействием РЭП (0.7 к&В, 10 кА, ЬО не) с нейтральным газом. Разработанные диагностики и методики применялись также на ускорителе пТерек-1Р" (1.2 МэВ, 10 кА, 70 не) и позволили исследовать разнообразные параметры пучка и характеристики плазмы, создаваемой при инжекции РЭП в разные газы при давлении в диапазоне 175760 торр.

2. Определены временные характеристики плазменных токов. Установлено, что при инжькции РЭП с максимумом плотности тока на оси пучка распределение плазменных токов по сечению камеры имеет максимум на периферии плазменного канала. Причиной этого явления служит лавиннал ионизация, возникающая при выносе поля пространственного заряда пучка к стенкам камеры.

3. Установлена роль процесса магнитной компенсации РЭП в эффективности переноса тока пучка. Так, при ч?менении степени магнитной компенсации с 0.1 до 1.0 коэффициент токопрохождения луч-

в& в азоте атмосферного давления (. Ь ^ 55 с") ведает с до

4. Сравнение экспериментальных результатов го транспортировка РЭП в водекудярных газах и аргоне с результатами численного Елделированкя по методу Ыонта Карло показало, что транспортировка пучка затруднена в молекулярных газах при давлениях 1Б0 - 450 торр вследствие развития крупномасштабной неустойчивости. Коэффициент токопрохоященил РЭП в аргоне падал по мере увеличения дазления, достигая при Р » '700 торр величины в 2.5 раза ниве расчетной. При добавлении к аргону небольших количеств

;0.035 « 1%) степень токопроховдения РЭП возрастала до значений, предсказанных математической моделью.

5. В результате исследований было показано, что добавки электроотрицательного газа к аргону оказывают значительное влияние на динакику индуцированных токов и транспортировку РЭП. Умень-сзнна плазменных токов, вплоть до полного исчезновения при добавлении к аргону 0.1$ £?, способствует самофокусировка РШ а подавлению крупномасштабных резистнвных неустойчивостей пучка, ¡(зк показызают расчеты, при добавлении к инертному газу формируются такие параметры плазмы, при которых затруднено развитие плазменно-пучковых неустойчивостей. При содержании в смеси более 1056 электроотрицательного газа обнаружено торможение пучка на объемном электрической заряде. Указанные вьше эффекты иогут иметь бояьаоо значение при реализации накачки яксимерного лазера сильноточным РЭ11.

6. Разработана методика определения пространственно-временных характеристик проводимости плазмы на основе экспериментальных распределений тока пучка и плазменного тока. Обнаружено, что в воздухе и азоте максимальные значения проводимости устанавливаются на периферии пучка, а в аргоне максимум проводимости с^еаэ-

ется на периферию плазменного канала.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

AI.A. Jenonski, L, KarplAakl, В. liaoiesnrski. Pulsed El со tree Beta Aooelerater HIKK-H. - Proc, 4th Int. Coat, ea High Fewer Particle Beaoa, 1981, Pnleioesu, Franoe, p.769.

АЙ.А. Janoweki, L. Karplnaki. Onega-6, an Kleotren Aooelerator.

- Proo. 7th Int. Conf. on High Pover Partlole В«иш, 1980, Knrleruhe, ГЯО, p.882.

A3. A. Janowaki, L. KarplAakl, O.P. tikheldse, A.i. Savin. Determining Веаш Plasma Conductivity on the Baele cf Measurements of Current Denalty Distributions. - Proo. 7th Int. Conf. on High Powe» Particle Beana, 1988, Karlsruhe, PKQ, p.1464.

A4. Ю.й.Бондарь, А.А.Гоманько, Г.П.Мхеидэе, А.А.Савин, А.Яновский

- Краткие сообщения по физике ffiiAH, 19В9, № б, с.34.

А5. Ю.<£.Бондарь, А.А.Гоманько, Г.Н.кхеидзе, А.А.Савин, А.Яновский

-Письма в ЖГФ, 1У90, T.IC, » Ь, с.29. ДОДи.У. Bondar*, А.А. Оетлв'ко, O.P. JJkheidee, l.A. Sarin, A. Janowaki, L. Karplnaki. Transport of an eleotron beaa and dynamJ c« of currents lnduoed in argon and the lnfluenoe of edi>>£trturee of elootronegatlva gaa. - Abstracts of 8th Int. Conf. on High Power Particle Beam«, 1990, Bovoaiblrak, USSR, p. 147.

"■гтср-^Ьгра

С.Г.лрутеия!!, Ь.й.Еоццарь и др.- Краткш? сообщения ш> Ызакв 1ШЛ» 1983, -Л 3, с. 14.

2. Л.Л.Васуез, П.Н.Сопин, Г.Л.Сорокин - Ге!шоф;энка высоких ^•ратур, 1989, т.2?, !,"> 4, с.642.

3. С.В./.ряанцзв, Г.П.Пхендэе, А.А.Савин, В.А.Схворцоп - Препринт ¡Ю<МН, 1937, № 1Ь4, Москва, 49с.

4. Н.А.Кондратьев, Г.И.Котляревсиий, В.И.Снвтгышн г- Писька а Ж, 1589, ».15, № II, 0.1*1.

й. К.С.Гочзшшили, В.И.Климов, Л.М.Прохоров - <!'ВД1ша пла*ьм> »Ла.'Р 12, сЛБОЬ.

Подписи к рисунках»

Рис Л. Плотность плазменного тока на ^азлиадих расстояниях о? оои пучка (цифры у кривы:: - расстояние в сы): а) аргон, Р о 415 торр, ь = 16 си? б) воздух, р =- 605 торр, Ь е 15 СМ.

Рис.^. Радиальныо распределения плотностей плазменных токов а различные ыомен^ц времени (цифры у кривых - врзмя в не,

а) аргон, р я 415 торр, 1 = 1Ь си; 6) воздух, р * 605 торр, X. * 15 си.

Рис.3. Зависимость токовой компенсации 1р(1Ь см)/хь(о ои) от давления газа.

Рис.4. Зависимость степени токопрохокдения пучка сы)/

1Ь(0 см) от давления газа. Пунктир - результаты расчет: по методу Монте Карло.

Рис.6. Степень ?о:;о прохождения пучка б смеси аргона с при

атмосферном давлешш в зависимости от количества добавки б < 1 « Ь5 см). Пунктир - результат расчета по методу Монте Карло.

Рис.С. Распределение ироводимости плазмы, образованной РЭП

(цифры у кривых - время в не): а) аргон, р *» 300 торр, Ь =16 см; б) воздух, V торр.

i, HC

R,cm

R.cM

Рнс.г.

0.0

0.4

0.3

о

л »—»

ч

to

С 0-2

EL 0.1

0

л

0.0

19) S3

Рйс.З.

030

450 Ей)

р,торр

650

7S0

5S0 650 750

р,торр

R, см