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

шлдамя нлгк оосг

оюпи тяти и огдаил октявлскоя юоямсин

ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ннии пи ягакдал

Ва права* рукописи Ж Б33.911

ЯНОВСКИЙ АЩЮЙ

ДИНАМИКА ПДАЗЫШШ ТОКОВ, ВДДЭД1РЦ8АННЫК ШШВИСТСКИМ ЭШШТРОННШ ПУЧКОМ В ГАЗЕ

(Специальность 01.04.08 - физика я химия плазмы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степши кешдкдата физико-математических иаук

Москва. 1Э9</ р.

Работа выполнена в Физической институте кы.П.Н.Лебедева АН С Научные руководители:

доктор физико-математических паук, профессор А.А.Колоиенский кандидат физико-штокзтических наук Б.Н.Яблоков. Официальные оппоненты:

доктор фпзико-матешзических наук, профессор А.<Ь. Александров доктор физико-депви&тнческкх наук, профессор Г.Э.Норман. Ведущая оргеиизадая: Институт высоких температур АН СССР, р.Москва.

Задит» состоится " ^¿М^М^УШ г., в /часов ид заседании Специализированного Ученого совета № Института общей физики АН СССР по адресу: Ц7&12 Москва, ГШ-В-333, ул.Вавилова, 38. .

С диссертацией косно оэнакоииться в библиотеке ИЭДАН СССР,

Доклад разослан " /Л ^МЗ1

Учений секретарь Специализированного совете доктор фиэ.-иат.нау»,

профессор Н. А. Ирисом

ОЩЛЯ ХАРЖГЬРИШКА РАШШ

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

Актуальность работа.

Развитие сильноточной электроники с 60-х годов привело к возникновению сильно разветвленной области знаний.. Б последние года особенно много внимания уделяется теоретическим а экспериментальным исследованиям транспортировки энергии на болышэ. расстояния» накачки газовых лазеров и инициирования плаэиохишпюсзшх реакций. Среда ряда проблей, возникающих при практической реализации названных задач и обуславливающих актуальность работ, гажно откатить:

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

- влияние пространственного заряда на транспортировку пучка и селективность передачи энергии в отдельные плазианные 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 плаамы, создаваемой пучком, и роль плаяменньгс токов в передаче энергии пучка газу.

2. Исследовать влияние принеси электроотрицательного газа на транспортировку пупка 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 сладущие явления:

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

б. При добавлении небольших количеств эдогаэа \ — 0.03%) к инертному газу а несколько раз возрастает степень токопрохождения пучк^.

в. 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 пучховой плазмы по радиусу камеры. Расчет использует зарегистрированные распределения плотности тока пучка и индуцированного плазменного тока.

д. Набдвдадось возрастание проводимости плазмы, создаваемой пучком, дс максимальных значений после окончания импульса РЭн. Исследование пространственного распределения проводимости плазмы показало смещение максимума проводимости на периферии плазменного канала.

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

ь

дования выяснены возможности увеличения эффективности взаимодействия пучка электронов с газовой средой. Результаты исследований мояно применять при проектировании газовых лазеров с наличкой сильноточной РЭП. Возникает также возможность использования иоля пространственного заряда как дополнительного канала энерговклвда пучка в газовую среду. Сказанное вше относится и к проблеме оптимизации плазмо-хиыических реакторов, в частности, предназначенных для очистки промышленных газов. Названные аадачи определяли выбор газов в экспериментальном исследовании. Тал, аргон о добавками электроотрицательного газа ишттировал рабочую среду зксимв-рного лазера. Исследования взаимодействия РЭП с воздухом и азотом актуально в проблеме радиационной очистки газов. Соответствующим образом выбирались давления газов (150-750 гч>рр) к энергия пучка, при которой длина пробега электронов соответствует размерам, характерным для вше названных приложений. Предлованная методика воспроизведения пространственно-временной динамики проводимости плазмы имеет самостоятельную научную ценность как (шсгрукан!' исследования процессов взаимодействия РЭП с газом и плазмой.

Положения, выносимые на защиту.

I. Разработана методика определения проводимости плазма на основе ¡Экспериментально наблюдаемых распределений ьшАудированного плазменного тона н тока пучка

'¿. ¡Максимальная проводимость плазмы, созданной РЭП в нейтральном газе, наблвдаегся 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 РЭП по сравнению со значениями при низком давлении. Добавление мал их

количеств электроотрицательного газа способно восстановить уровен юкопрохождения пучка. Так, примесь .з?6 в количестве-0,03Й вызывает трехкратный рост токопрохоадения пучка в аргоне на расстояний 0.55 м.

, 4.' Примесь электроотрицательного газа вызывает исчезновение v регулярной составляющей плазменного тока и появление его осцилля-ций.

í>. 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 1а-7& . Материалы, содержащиеся в диссертационной работе, докладывались на семинара) 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 международных конференциях по мощным пучкам BüiMS' 88 (Карлсруэ, ФРГ) и BEAKS' 90 (Новосибирск).

Структура и объем диссертации.

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

С0ДЕРШИЕ РАБОТЫ.

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

и структура работа.

Дан короткий обзор современного состояния исследований в об* ласти сильноточной электроники и, в частности, транспортировка и взаимодействия РЭП с нейтральным газом. Внимание сосредоточено на физических процессах, возникающих при инжекции РЭП в газ, а именно: динамике процесса создания плазда, собственных полях пучка, а такяе процессах зарядовой и токовой компенсации а неусЛз-йчнеостях пучка. Обсуждается место сильноточной электронная в научных исследованиях и технике.

ПЬРВАЯ ГЛАВА посвящена краткоцу описании експзриментальнш стендов, на которых были получены результаты данной работы. Сильноточный ускоритель '"Ш?ЕК-1Р" (ИОФАН) генерирует пучок со. следу* гартми параметрами: 1«7.5 кА, В»1.2 МэВ, те 70 не, ^иООО А/см2. Ускоритель Оыега-6 ОДОиЛМ): х в 10 кА, к=»0.7 МэВ?' т е»

о

нс, 800 А/см . Пучок инжектировался через титановую фольгу в камеру дрейфа со следующий разыэраш; на стенде Тереи-ХР ее диаметр составлял 18 см, длина см, а для Омега-б, соответственно, 15 см и 20 + 120 см. Непосредственное измерение ддал-менннх токов осуществлялось при помощи секционированного коллектора электронов, энергия которых была нижа 20 кэВ. Профили плотности тока пучка регистрировались секционированным откачиваемым цилиндром Фарадея. Кроме того,экспериментальный стенд Оиега-6 дает возможность проведения следущих 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 т-орр.

а

£0 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

время слада 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 , установившимся в плазме аргона в отсутствии поля. Подобное изменение температуры электронов выызвает значительное возрастание константы ступенчатой ионизации, в то время как скорость диссоциативной рзкомбинации практически не меняется. В результате, спад концентрации плазменных электронов происходит -за длительное время ( 14С не), что соответствует нашим экспериментальным наблюдениям. В воздуха и азоте распад плазменного тока происходит за времена, сравнимые с длительностью импульса тока пучка. При этом в спаде тока в азоте можно различить фазы, обусловленные как диффузией магнитного, поля, так а распадом плазмы (П. Сложная плазмо-хиии-ческая кинетика воздуха не позволяет различать конкретные процессы, ответственные за распад плазменного тока.

2. Ь 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 аффективных, чем ионизация электронами РЭП. Подобным

механизмом ноже? слуяить лавинная ионизация, возникающая при выносе поля пространственного заряда на периферию плазменного канала в ходе нейтрализации пучка 121.

S. Степень токовой компенсации пучка в аргоне и воздухе составляла Ü.3 при давлении 175 - 500 торр и падала до 0.14 при атмосферном давлении. Степень токовой компенсации в азоте была незначительная и составляла'-0.1 во всем диапазоне исследуемых давлений (рис.3).

4. В третьей главе сравниваются результаты измерений токопро-хождения пучка в разных газах на расстояние 55 см с расчетами ; выполненными по методу Монте Карло f 3J. Двд аргона токопрохоздо-1ше монотонно падает с ростом давления. Экспериментальные даннш 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 к азота. Хотя расчеты такжч дают большие значения токопрохеддения, нежели зарегистрированные в эксперименте, но наибольшие различия обнаруживаются при пониженных давлениях. Транспортировка электронного пучка в воздухе и азоте ухудшается при уменьшении давления от 500 до 175 торр (рис.4). Причиной этого явления может быть развитие крупномасштабной резистив-иой неустойчивости в области давлений 100 - 300 торр, подобной наблюдавшейся в работе f4j.

В ТРЕТЬЁИ ГЛАВЕ рассматриваются вопросы влияния добавки электроотрицательного газа (SFg) на транспортировку пучка в аргоне и динамику плазменных тонов. Как было отмечено выше, при транспортировке пучка в аргоне í р - ТЬО торр) степень токопрохожде-ния РЭП была в 2.5 раза ниже расчетной. Обнаружено, что небольшие добавки злегаэа (0.1/5) восстанавливают тоиопрохождение до уровня, предсказанного теорией (рис.5). При этом плазменные токи,

1иадуцуровадаыа РЭП уменьшаются, практически до нулевых значений. Расчеты, выполненные на основе модели физической кинетики пучко-соЦ плазш сыеси аргона и элегаэа показывают, что последний результат является естественный следствием интенсивного прилипания электронов к электроотрицательной молекуле а?6 . Описанный выше эффект роста степени токопроховдения пучка шкет являться результатом уменьшения плазменных токов по следущиы причинам: во-пзрвых, подавляется развитие крупномасштабных резнстивных неус-юйчивостей, вызванных взаимодействием РЭП с плазиенныи током, и, во-вторых,, фокусировкой РЭП в собственном магнитном поле, возрастающей по иера ослабления токовой компенсации. Другой возможной причиной наблюдаемых зависимостей ыожет служить развитие мииро-неустойчивостей при мнжекции пучка а чистый аргон и подавление ее при добавлении элегаза. При температура электронов илазиы Т0 0.3 эВ С 5 3 сечение упругих столкновений электронов с атоыаыи аргона имеет минимальное значение, обусловленное эффектом Раыэа-уэра. При соответствующей частоте столкновений V ~ исполняется условие эффективной передачи энергии пучка плазменный колебаниям в ходе пучково-плазменной неустойчивости. Добавление к аргону приводит к разогреву плазкенных электронов, вследствие преимущественного прилипания медленных электронов ( 0.2 эБ), 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 ду^ а смеси. Обсуждается природа этих колебаний.

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

ности пучковой накачки лазеров на галогенидах инертных газов.

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

Проведенные в работе одновременные измерения плотностей тока пучка и индуцированного плазменного тока ¿р(»,-»> по-

зволяют определить проводимость плазменного канала «г (г,*) .используя формулу Ш.

^[¡«Ь'ъ-чУ1 Ш

С помощью изложенной вше методики получены данные о пространственном и временном поведении проводимости плазменного канала,образ о вал но го РЭП в исследуемых газах (рис.б).

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

В ПРИЛОЖЕНИИ изложены физические основы математической модели транспортирввки пучка (метод Ыонте Карло) и модели кинетики плазмы Ах+3?б .

зшттш

В диссертационной работе содержится новое решение задачи о ши змеиных токах, индуцированных при шшекции релятивистского электронного пучка е нейтральный газ. На основе комплексного экспериментального и теоретического исследования определены основныэ закономерности динамики полей и токов, возникающих при взаимодействии РЭП с газовой.средой. Результаты данной работы имеют существенное значение для физики пучков заряженных частиц и могут быть использованы в системах инфекционной газовой электроники (газовш лазерах с накачкой РЭП, плазмохимических реакторах, инфекционных 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 МэВ, 10 кА, ЬО не) с нейтральным газом. Разработанные диагностики и методики применялись также на ускорителе "Терек-1Р" (1.2 МэВ, 10 кА, 70 не) и позволили исследовать разнообразные параметры пучка и характеристики плазмы, создаваемой при инжекции РОЛ в разные газы при давлении в диапазоне 17С-760 торр.

2. Определены временные характеристики плазменных токов. Установлено, что при инжекции РЭП с максимумом плотности тока на оси лучка распределение плазменных токов по сечению камеры имеет мак-енчуы на периферии плазменного канала. Причиной этого явления служит лавинная 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 вменении степени магнитной компенсации с 0.1 до 1.0 коэффициент токопрохождения пуч-

ва в азоте атмосферного давления I Ь - 55 см) падает с 7635 до 15$. '

4. Сравнение экспериментальных результатов по транспортировке РЭП в молекулярных газах и аргоне с результатами численного моделирования по методу Понта Карло показало, что транспортировка пучка затруднена в молекулярных газах при давлениях 160 - 450 торр вследствие развития крупномасштабной неустойчивости. Коэффициент токолрохоядения РЭП в аргоне падал по мере увеличения давления, достигал при Р » торр величины в 2.5 раза ниже расчетной. При добавлении к аргону небольших количеств

10.03$ « 1$) степень токопрохождения РЭП возрастала до значений, предсказанных математической моделью.

5. В результате исследований било показано, что добавки электроотрицательного газа и аргону оказывают значительное влияние но динамику индуцированных токов и транспортировку РЭП. Уменьшение плазменных токов, зплоть до полного исчезновения при добавлении к аргону 0.1? способствует самофокусировка РЫ1 а подавлению крупномасштабных розистивных неустойчивостей пучка. Как показывают расчеты, при добавлении к инертному газу формируются такие параметры плазмы, при которых затруднено раз шик« плазменно-пучковых неустойчивостей, При содержании в сыэса более 10% электроотрицательного газа обнаруиено торшженне пучка на объемном электрическом заряде. Указанные выше эффекты могут иметь большое значение при реализации накачки эксимерного лазера сильноточным Р311.

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 максихум проводимости сйена-

ется на периферию плазменного канала.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

AI .A. Janewaki, L. iUrpiiiakl, В. Kaolcseirski. Pula«d Kl«otr«a Be»m Aooelerator Я1КЕ-Ы. - Pro«. 4th Int. Coaf. on High Fewer Pwtiole Beaas, 1981, P»laii«eu, Praiioe, p.769,

A2.A. Jenowskl, L. Kwrplnekl. Ов«в»-6, «а Kl во treu Aooelerator.

- Proo. 7th Int. Сoaf. oa High Power Partlole Вваяш, 1988, Karlsruh«, УКа, p.802.

A3.A. J»now«kl, L. KarpiAski, О,P. Ukiuide«, A.A. Savin. Determining Ввав Plesme Couduotivity on the Baals of Meeeuremento оf Current Density Bletributioaa. - Proo. 7tb Int. Cenf. on High Power P«xtiol« Вввюя, 19вв, Kerl e ruh б, ГКО, p.u64.

A4. Ю.Ф.Бовдарь, А.А.Гоманько, Г.й.Ыхеидзв, А.А.Савин, А.Яновский

- Краткие сообщения по физике ФИАН, 19Ü9, № 6, с.34.

А5. Ю.Ф.Бондарь, А.А.Гоманько, Г.Н.Мхеидзе, А.А.Савин, А.Яновский

-Лмсьма в 1ТФ, 1990, 'Г. 1С, * Ь, с.29. Ab.iu.F, Bender", A.A. Gomaa'ko, О.Г- «äkheidee, A.A. Sarin, A. Jaoowekl, L. Karpia»ki. Tr*n«port of an electron beaa •ad dyaeisj of ourj-vukS induoed la argon and the influenoe or *4Kxkur«c of electronegative gas, - Abstract» of 8th Int. Zvüt. oa High Power Particle Beams, 1990, Novosibirsk, USSR, p.147.

-"этгра^-ра

С.Г.Арутвшш, Брндирь и др.- Краткир соойщзния па $изг«д С11АИ, 1983, ■} 3, с. 14.

2. А.А.Ваяуаэ, fl.il. Со пин, Г.Л.Сорокин - Теплофязш«а высоких перат^-р, 1СЬ9, т.й?, 4, о. 642.

3. С.В.Аряанцев, Г.П.Мхеидэе, А.Л.Савин, В.А,Скворцов - Пршршзт ШАН, 1967, А 184, Москва, 49о.

4. Н.А.Кондратьэв, Г.И.Котляревский, В.И.Сиетаедн г Письма в ЭТО, 19У9, Ф.Х5, » И, с.Ш.

б. К.С.Гочнлашзили, З.И.Климов, А.Н.Прохоров - <5иэш»а пзздкы), 19У9, *.18,'Р 1Й, о.КО».

Подписи к рисункам

Рис.1. Плотность пл&амзнного тока на различных расстояниях от оси пучка (цифры у кривих - расстояние в см): а) аргон, р * 415 торр, 1 = 15 см; б) воздух, р 605 торр, L в 15 см.

Рис.Радиальные распределения плотностей плазменных токов в различные моменты времени /цифри у кривых - время в не,

а) аргон, р я 415 торр, 1 с 1Ь см; б) воздух, р * 505 торр, ь = 15 см.

Рис.З. Зависимость токовой компенсации l CI6 cu)/lb(o ои) от давления газа.

Рис.4. Зависимость степени тонопрохоздения пучка см)/

Хь(0 ом) от давления газа. Пунктир - результаты расчет по методу Мойте Карло.

Рис.5. Степень тог.оирохоздения пучка в смеси аргона с SFg при атмосферном давлении в зависимости от количества добавки SF g ( I ■ 55 см). Пунктир - результат расчета по методу Монте Карло.

Рис.С>. Распределение проводимости плазмы, обрадованной РЭП

(цифры у кривых - время в не): а) аргон, Р » 300 торр, L =15 см; б) воздух, р торр.

jplasraa, А/смг

у

jplasaa, А/см

R,c«

R,cm

O.B

о

SX

«—I

s

to

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

»50 ЕЮ

Pwc.3.

та

450 659 P»торр

. 650

.713

ISO 250 PiTC.4.

550 650 750 p,T0pp

0.10

1.00 % SFe

<0.00

100.00