Динамика развития микропинчевого разряда типа низкоиндуктивная вакуумная искра с поперечным плазменным инициированием тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Введение.

Глава 1 Литературный обзор.

1.1 Основные физические процессы при пинч-эффекте.

1.2 Результаты проведенных ранее исследований НВИ.,.

1.2.1 Исследование динамики пинчевания НВИ.

1.2.2 Параметры ПТ и теоретическое понимание.

1.2.3 Измерение плотности электронов в плотной плазме.

1.3 Выводы.—.

Глава 2 Экспериментальное исследование развития НВИ.

2.1 Пинчевая установка ПФМ-72.

2.1.1 Вакуумная система.

2.1.2 Электродная система микропинчевого разряда.

2.1.3 Электрическая схема установки.

2.2 Диагностическая аппаратура.

2.2.1 Оптические свойства плазмы.

2.2.2 Интерферометрия.

2.2.3 Азотный лазер.

2.2.4 Сдвиговый интерферометр.

2.2.5 Аппаратура для получения теневых фотографий.

2.2.6 Оптическая диагностика собственного излучения плазмы.

2.2.7 Измерение плотности плазмы.

2.2.8 Другие измерения для исследования развития НВИ.

2.3 Обработка экспериментальных результатов.

2.3 Л Обработка фотоизображений.

2.3.2 Численные методы обработки интерферограмм.

2.4 Выводы.

Глава.З Экспериментальные результаты и их обсуждение.

3.1 Экспериментальные результаты.

3.2 Обсуждение экспериментальных результатов.

3.2.1 Начальное развитие разряда.

3.2.2 Представление о плазменной точке.

3.4 Выводы.

Глава.4 Эрозия электродов.

4.1 Экспериментальное исследование эрозии электродов.

4.2 Выводы.

Вакуумный искровой разряд при высоком напряжении был создан как источник уникально-спектрального излучения (Millican 1918) [1] более 70 лет назад. В 1968 году Коэн (Cohen) с его сотрудниками [2] впервые сообщили о наблюдении микропинчевой области в низкоиндуктивной вакуумной искре, состояние вещества в которой близко к звездному. Активные исследования микропинча начались в 70-х годах и продолжаются до настоящего времени. Под микропинчевым разрядом (МПР) обычно понимают не тип установки, а импульсный сильноточный разряд с большим аспектным отношением, в котором образуется короткоживущий плазменный объект очень малого объема с

20 3 гр высокой температурой и плотностью (Ne > 10 см", Т > 1кэВ). Среди установок, в которых реализуется микропинчевой режим, можно выделить низкоиндуктивную вакуумную искру (НВИ), где микропинч принято называть плазменной точкой (ПТ). Высокие параметры плазмы и относительно невысокая стоимость их получения делает эти установки перспективными для технологических применений.

Физические процессы, протекающие в НВИ различного типа имеют много общего, в основном, описываются моделью радиационного коллапса [3], однако, из-за различий конструкционных, энергетических и иных могут очень сильно отличаться по параметрам. Поэтому оптимизация конкретной установки по тому или иному параметру требует проведения исследований протекающих в разряде физических процессов, зачастую, достаточно подробно. Так, например, удается существенно улучшить временной разброс и пространственную воспроизводимость ПТ изменением места и длительности инжекции в межэлектродный промежуток инициирующей разряд плазмы.

В большой серии работ [4-11], выполненных на созданной на кафедре "Физика плазмы" МИФИ немногим более 10 лет назад установке типа НВИ, основное внимание уделялось исследованию параметров надтепловой компоненты плазмы, рентгеновского и ВУФ излучения. Было получено, что до 3% запасенной электрической энергии преобразуется в рентгеновское излучение, а всего в излучение (в основном ВУФ диапазона) переходит более 20%. Ее основным отличием является расположение вспомогательного источника инжектируемой в межэлектродный промежуток плазмы, которая обеспечивает начальную фазу развития МПР, у основания анода, а не на катоде в зоне протекания основного тока разряда, как в большинстве установок такого типа. Перечисленные излучательные характеристики и конструктивные особенности установки позволяют надеяться, что на основе такого типа МПР можно создать источник излучения для технологических целей: в микрорентгенографии, рентгеномикроскопии, для модификации рельефа поверхности твердых тел и их структуры. Таким образом исследование физических процессов протекающих в межэлектродном промежутке на названной установке является актуальной задачей и носит более общий характер.

Целью настоящей работы является исследование динамики микропинчевого разряда типа низкоиндуктивная вакуумная искра, прежде всего, лазерно-оптическими методами, на различных стадиях его развития. Практические возможности применения такого типа разряда определили и ряд других физических задач, решения которых необходимо для создания, в конечном итоге, работоспособной в течение длительного времени технологической установки. К ним относится исследование изменения в зависимости от числа проведенных разрядов:

• характера протекающих в мёжэлектродном промежутке процессов;

• эрозии электродов и их формы;

• временных и пространственных характеристик излучения плазмы;

Для проведения такого рода исследований необходимо создание диагностического комплекса лазерно-оптической, рентгеновской, электротехнической и др. аппаратуры.

В первой главе диссертации обсуждаются основные физические процессы, происходящие в 2-пинчевых разрядах типа низкоиндуктивная вакуумная искра, рассматриваются различные стадии развития, общие для микропинчевых разрядов типа ЯВИ.

Из анализа экспериментальных результатов, полученных в различных исследовательских лабораториях мира следует, что время жизни плазменной точки не превышает нескольких наносекунд и точное его определение ограничено, как правило, временным разрешением диагностической аппаратуры. Из этого ясно, что исследование процесса развития перетяжки является трудной экспериментальной задачей, именно на этом сосредоточены усилия большинства авторов. Изучению начальной фазы уделено гораздо меньше внимания.

В большинстве экспериментальных установок используются плоский катод и острийный анод. Для инициирования разряда применяют эрозионные миниатюрные источники плазмы, расположенные на катоде, либо излучение мощного импульсного лазера, воздействующего на один из электродов. Такого рода конструктивные отличия приводят к различию в протекании начальной фазы развития разряда и, в определенной степени, процесса образования перетяжки.

Из рассмотрения наиболее надежных экспериментальных результатов, полученных разными авторами, можно выделить следующие сведения о параметрах плазмы в ПТ:

- плазменные точки образуются в разных областях межэлектродного промежутка вблизи оси разряда;

- наблюдаются многотемпературные режимы образования ПТ, причем большие значения эффективных температур (30ч-80 кэВ) объясняются наличием ускорительных процессов при образовании перетяжки;

- диаметр микропинча < 2 мкм, длина в 3-г5 раз больше; ~ 23 3

- максимально достижимая электронная концентрация Ые~10 см".

Лазерное зондирование плазмы позволяет получить количественную и наглядную информацию о поведении электронной компоненты плазмы. Но при исследовании плазмы микропинчевых разрядов от диагностической аппаратуры требуется временное разрешение не хуже нескольких наносекунд, а длину волны зондирующего излучения из-за отклонения и поглощения луча следует выбрать как можно ниже. Анализ существующих типов интерферометров позволил сделать вывод, что для получения качественной информации удобно применить сдвиговый интерферометр, количественную информацию легче получить с помощью интерферометра Маха-Цендера.

Из моделей, описывающих процесс образования ПТ наиболее последовательной и подтвержденной экспериментальными данными является модель "радиационного коллапса". Достижение максимальных параметров ПТ в модели объясняется существованием повторного быстрого дожития плазмы, разделенного во времени от первого на 20-^80 не, с вытеканием плазмы из области перетяжки. Экспериментально такой механизм получил лишь косвенное подтверждение.

Во второй главе приводится описание экспериментальной установки ГТФМ-72, разработанных диагностических устройств и требований, предъявляемых к ним.

Для решения задач перечисленных выше, потребовалось проведение модернизации основных узлов установки. При этом без изменения была оставлена конструкция самих электродов. Существенная модернизация электродной и вакуумной систем установки позволила повысить практическую значимость результатов за счет улучшения количественных и качественных характеристик вакуумных условий и уменьшения влияния шунтирующих пробоев вдоль поверхности изолятора на развитие микропинчевого разряда.

Отработка оптической схемы лазерного теневого фотографирования и системы синхронизации производилась при исследовании заключительной стадии развития разряда между электродами TEA ^-лазера с использованием в качестве осветителя серийного ЛГИ-501. Результаты этих исследований имеют и самостоятельное значение, т.к. крайне важным для частотного режима работы лазера является исследование динамики остывания искрового канала, определяющей процесс восстановления электрической прочности разрядного промежутка при повышенных энерговкладах и контракции разряда.

В третьей главе приведены результаты исследования динамики развития микропинчевого разряда на установке ПФМ-72.

Наиболее последовательно в описываемых экспериментах визуализация процессов, протекающих в межэлектродном промежутке, была проведена с помощью теневого фотографирования. С помощью интерферометра Маха-Цендера удалось зафиксировать наличие плазмы, когда ее практически не видно на теневых фотографиях. Обработка интерферограмм, выполненная с помощью программы восстановления локальных значений плотности плазмы из интегральных измерений в предположении аксиальной симметрии, позволила определить значение электронной концентрации.

Динамика собственного свечения плазмы в видимом диапазоне спектра выполнялась помощью скоростного фотоэлектронного регистратора ФЭР-7. Параллельно с визуально-оптическими методами диагностики плазмы режим микропинчевого разряда непосредственно контролировался по току разряда и выходу рентгеновского излучения. Совокупность всех полученных результатов позволила восстановить динамику разряда.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию характера эрозии электродов основного разрядного устройства. К наиболее интересным результатам можно отнести обнаружение кольцеобразной структуры образующейся на поверхности катода. Исследование изменения структуры и состава поверхности произведено при помощи оптического и электронного микроскопов и по обратному рэзерфордовскому рассеянию ионов гелия с энергией 1 МэВ.

Результаты проведенных исследований развития микропинчевого разряда и характера эрозии электродов могут найти применение при создании на основе разряда типа НВИ источника излучений в ВУФ и рентгеновском диапазоне для технологических применений.

Автор выносит на защиту следующие, содержащие научную новизну основные результаты:

1. Результаты исследования динамики развития микропинчевого разряда типа НВИ с радиальной инжекцией эрозионной плазмы от вспомогательных источников, вынесенных из области его прямого воздействия. Исследования выполнены с помощью теневого фотографирования и двух типов интерферометров при использовании TEA ^-лазера в качестве источника зондирующего излучения.

2. Экспериментально обнаруженное с помощью высокоскоростной фотоэлектронной регистрации вытекание плазмы из области образования плазменной точки.

3. Обнаружение на поверхности катода кольцеообразной периодической структуры с шагом ~ 250 мкм концентричной относительно оси разряда.

4. Результаты исследований пространственной структуры и поведения во времени рентгеновского излучения для использованной в работе геометрии разрядного устройства типа НВИ.

5. Экспериментально исследованное с помощью комплекса диагностических методик изменение характера развития микропинчевого разряда и эрозии электродов в зависимости от числа проведенных разрядов.

6. Результаты экспериментального исследования заключительной стадии распада контрагированного разряда в диагностическом TEA

Ыг-лазере с помощью теневого фотографирования при использовании в качестве осветителя серийного азотного лазера (А,=337 нм).

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на: XXIII Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (1997г., Тулуза, Франция);

Международном симпозиуме "Плазма-97" (1997 г., Ополе, Польша); Международном конгрессе по физике плазмы (1998 г., Прага, Чехия); VIII и IX Всероссийских конференциях по физике газового разряда (1996 и 1998 г.г.,Рязань);

IV Межгосударственном симпозиуме по радиационной плазмодинамике (1997г., Москва);

Iй и 2Ш Научных сессиях МИФИ (1998 и 1999 г.г.)

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 9 печатных работах.

Основные результаты, полученные автором, опубликованы в следующих работах:

1. Башутин О.А., Вовченко Е.Д., Ли Джэн Хун, Савёлов А.С. Требования к формированию и развитию поперечного разряда при оптимизации TEA Ы2-лазера - Тез. докл. VIII Всеросс. конф. по физике газового разряда, Рязань, 1996 г., ч.1, с.11-13.

2. Башутин О.А.,Вовченко, Долгов А Н., Кадетов В.А., Ли Джэн Хун, Савёлов А.С. Влияние параметров вспомогательного разряда на характеристики плазмы микропинча - "Тез. докл. IV Межгосуд. Симпозиума по радиационной плазмодинамике", Москва, 1997, с.46.

3. Bashutin О.А., Vovchenko E.D., Kurnaev V.A., Savjolov A.S., Lee Zh.H. A diagnostics laser apparatus for investigation of plasma in a wide range of electron densities - Proc. XXIII Int. Conf. Phen. Ion. Gases, France, Toulouse, 1997, v.IV, p. 112-113.

4. Bashutin O.A., Vovchenko E.D., Savjolov A S., Lee Zh.H Phenomenology of the pulse glow discharge in the diagnostic TEA nitrogen laser - Proc. Intern. Symp. "Plasma-97", Poland, Opole, 1997, v.l, p.469-472.

5. Bashutin O.A., Vovchenko E.D., Savjolov A.S., Kadetov V.A., Lee Zh.H. -Proc. of Intern. Congress on Plasma Physics, Czech Rep., Prague, 1998, Vol. 22C, p. 1021-1022

6. Кадетов В.А., Ли Джэн Хун Визуализация процессов развития микропинчевого разряда. - Сб. научн. трудов МИФИ-98, ч.З, с. 179181.

7. Башутин О.А., Вовченко Е.Д., Савёлов А.С., Ли Джэн Хун, Сивко П. А. Визуализация радиальной структуры "плазменного факела" в установившейся и заключительной стадиях существования разряда

Тез. докл. IX Всеросс. конф. по физике газового разряда, Рязань, 1998,ч.2, с.77-79.

8. Кадетов В.А., Ли Джэн Хун, Савёлов A.C. и др. Исследование динамики микропинчевого разряда и эрозии электродов - М.: Препринт МИФИ, №015-98, 32 с.

9. Сивко П.А., Ли Джэн Хун Интерферометрический комплекс для исследования микропинчевого разряда - Сб. научных трудов МИФИ-99.

Заключение

1. Millican RA. - 1.id., 1918, V.12, р.167.

2. Cohen L., Feldman U., Swartz M., Underwood J. J. Opt. Soc. Am., 1968, V.58,p.843.

3. Вихрев В. В., Иванов В. В., Кошелев К. Н. Физика плазмы, 1982, т.8, вып.6, с. 1211.

4. Горбунов A.A., ГулинМ.А., Долгов А.Н., Николаев О.В., Савелов A.C. Прямая регистрация потока надтепловых электронов из плазмы микропинчевого разряда. Письма в ЖЭТФ, 1989, т.50, вып.7, с.320-322.

5. ГулинМ.А., Долгов А.Н., Николаев О.В., Савелов A.C. О параметрах излучающей плазмы в микропинче'вом разряде. -Физика плазмы, 1990, т.16, вып.8, с.1015-1018.

6. Аверкиев В.В., Долгов А.Н., Ляпидевский В.К., Савелов A.C., алахутдинов Г.Х. Измерение спектра рентгеновского излучения микропинчевого разряда многоканальным сцинтилляционным спектрометром. ПТЭ, 1991, №2, с. 173-176.

7. Аверкиев В.В., Долгов А.Н., Ляпидевский В.К., Савелов A.C., Салахутдинов Г.Х. Многоканальная регистрация динамики ренгеновского излучения микропинчевого разряда. Физика плазмы, 1992, т. 18, вып.6, с.596-604.

8. Долгов А.Н., Кириченко H.H., Ляпидевский В.К., Савелов A.C., Салахутдинов Г.Х. Наблюдаемый спектр излучения микропинча в диапазоне 1 кэВ<1п><300 кэВ и процессы в его плазме. Физика плазмы, 1993, т.19, вып.1, с.97-103.

9. ГулинМ.А., Долгов А.Н., Кириченко H.H., Савелов A.C. Исследование энергетического состава электроннной эмиссии из плазмы микропинчевого разряда с разрешением во времени. -ЖЭТФ, 1995, t.108, №Ю, с.1309-1317.

10. Ю.Долгов А.Н. Результаты регистрации энергетического спектра корпускулярной эмиссии из плазмы микропинчевого разряда. -Физика плазмы, 1996, т.22, №6, с. 1-4.

11. П.Гулин М.А., Долгов А.Н., Кириченко H.H., Ляпидевский В.К., Масленникова Н.В., Савелов A.C. Измерение электронной температуры плазмы микропинчевого разряда по ослаблению потока рентгеновского излучения в ядерной эмульсии. ПТЭ, 1996, №6, с.82-86.

12. В. А. Бурцев, В. А. Грибков, Т. И. Филиппова Итоги науки и техники, физика плазмы, 1981, том.2, с.80.

13. К. N. Koshelev, N. R. Pereira J. Appl. Phys., 69(10), 1991, p.R21.

14. Bennet W. H. Phys. Rev., 1934, 45, p.890. .

15. T N. Lee, R. C. Elton Phys. Rev.A, 1971, V.3, N.3, p.865.

16. T. N. Lee Astrophys. J., 1974, v. 190, P.467.

17. T. N. Lee Ann. N. Y. Acad. Sei., 1975, V.251, p. 112

18. Веретенников В. А., Грибков В. А., Кононов Э. Я. и др., Физика плазмы, 1981, т.7, вып.7, с.455.

19. Полухин С. Н. Кандидатская диссертация, ФИАН, 1992г.

20. Семенов О. Г. Кандидатская диссертация, ФИАН, 1980г.

21. P. S. Antsiferov, К. N. Koshelev, А. М. Panin J. Phys. D, 1989, v.22, p. 1073.

22. KOHOHOB Э. Я., Кошелев К. H., и др., Физика плазмы, 1985, т.11, с.538.

23. R. Burhenn, В. S. Harn, S. Gossling, et al J. Phys. D, 1984, v.17, p. 1665.

24. R. U. Datla, H. R.Griem Phys. Fluids, 1978, v.21, p.505.

25. R. U. Datla, H. R.Griem Phys. Fluids, 1979, v.22, p.1415.

26. KOHOHOB Э.Я., Кошелев K.H., и др., Письма в ЖЭТФ., 1980, т.31, с.720.

27. J. F. Seely, T. N. Lee Phys. Rev. A, 1984, v.29, p.411.

28. Веретенников В. А., Полухин С. H., Семенов О. Г., Сидельников Ю. В. Физика плазмы, 1981, т.7, вып.6, с.1199.

29. Negus С. R., Peacock N. J. J. Phys. D: Appl. Phys., 1979, v. 12, p.91.

30. В.В.Иванов Кандидатская диссертация, 1986, ИАЭ им.И.В.Курчатова.

31. J. D. Hares, R. E. Marrs, R. J. Fortner J. Phys. D, 1985, v. 18, p.627.

32. R. E. Stewart, D. D. Dietrich, et al J. Appl. Phys., 1987, v.61, p.126.

33. E. О. Баронова, В. В. Вихрев, А. Е. Гурей, А. Н. Долгов и др., -Физика плазмы, 1998, т.24, вып.1, с.25.

34. Katsumi Hirano, Katsuji Shimoda, Fumio Hamada Jap. Journal of Applied Physics, 1978, v.17, No.9, p.1619.

35. Авров А. И., Быченков В. Ю., Крохин О. Н., и др., ЖЭТФ., 1977, т.72, вып.З, с.970.

36. L. Spitzer Physics of Fully Ionized Gases, Wiley & Sons, Inc., 1962.

37. R. H. Huddlestone, S. L. Leonard, ed., Plasma Diagnostic Techniques, Academic Press, 1965.38.3айдель A. H., Островская Г. В. Лазерные методы исследования плазмы, Л., 1977.

38. Е. Bar-Avraham, A. Fisher, et al IEEE Transactions on Plasma Science, 1978,V. PS-6, No. 3, p. 296.

39. Физические измерения в газовой динамике и при горении Под ред. Л. У. Ланденбурга, Б. Лъюиса, Пиза Р. Н., Тейлора X. С., М.: ИЛ, 1957, с. 484.

40. Басов Н. Г., Захаренков Ю. А., Зорев Н. Н. и др., ЖЭТФ., 1976, т. 71, вып. 5, с. 1788.

41. Басов Н. Г., Захаренков Ю. А., Рупасов А. А. и др., Диагностика плотной плазмы, М.: ИЛ, 1989.

42. Тюрюканов П. М., Ходаченко Г.В. ПТЭ., 1984, №3, с. 121.

43. Русанов А. К. Основы количественного спектрального анализа руд и минералов. М.: Недра, 1971.45.3айдель А. Н., Малышев Г. М., Шрейдер Е. Я. ЖТФ, 1961, т. 31, с. 129.

44. Бойко В. А., Войнов Ю. П., Грибков В. А. и др., Опт. и спектр., 1970, т.29, с. 1023.

45. Климкин В. Ф. Оптические методы регистрации быстропротекающих процессов. Новосибирск: Наука, 1980, с.49.48.3ахаренков Ю. А., Склизков Г. В., Шиканов А. С. Физика плазмы. 1980, т. 6, вып. 2, с. 453.

46. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970, с. 856.

47. Sklizkov G. V. Laser Handbook: Amsterdam: North-Hollad, 1972, v.2, p. 1545.

48. Дубовик А. С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. M : Наука, 1975, с. 456.

49. Baltog, M. Ganciu, L. Mihut and et al., Beitr. Plasmaphys., 1985, V. 25, 3, p. 263.

50. Bates W. Proc. Phys. Soc., 1947, Vol. 59, pt. 6, N. 336, p. 940.

51. Bennett F., Carter W., Bergdolt V. J. Appl. Phys., 1952, V. 23, № 3, p. 453.

52. Емельянов В. A., Жаврид Г. П. Инж. Физ. ж., 1962, т.5, № 4, с. 64.

53. Bockasten К. J. Opt. Soc. Am., 1961, V. 51, № 9, p. 943.

54. Рухадзе А. А. й др., Физика сильноточных релятивистких электронных пучков, Атомиздат 1980.

55. Кузелев А. А., Рухадзе А. А. Электродинамика плотных электронных пучков в плазме. М. : Наука, 1990.

56. Морозов А. И., Соловьев Л. С. сб.: Вопросы теории плазмы. Под. ред. М. А. Леонтовича, вып. 8, М.: Атомиздат, 1974.

57. Базденков С. В., Гуреев К. Г., Филиппов Н. В. Физика плазмы, 1976, т. 2, с. 730.

58. Великович А. Л., Либерман М. А. Письма в ЖЭТФ, 1978, т. 27, с. 449.

59. Вихрев В. В., Коржавин В. М. Письма в ЖЭТФ, 1974, т. 19, с. 528.

60. В. Е. Meierovich Sov. J. Plasma Phys., 1985, v. 11, p.831.

61. АГЛИЦКИЙ E. В., Анциферов П. С., Панин А. М. Физика плазмы, 1985, том. 11, вып. 3, С.275.

62. Ch.K.Erber, O.H.Herzog, A.Schulz, E.J.Clothiaux, F.Walden and H.-J. Kunze Plasma Sources, Science and Techn., v.5, 1996, p.436 - 441.

63. Г.А. Месяц Эктоны. Наука. Екатеринбург, 1994,4.1,2,3.

64. В. А. Скворцов Плазмоэмиссионная динамика вакуумно-искровых разрядов. Научн. Труды НИЦ ТИВ ОИВТ РАН, вып.1, 1996, с. 145.

65. В.Е. Черковец Физика приэлектродных явлений., М., МИФИ, 1994, с. 112.

66. Д. Вудраф, Т. Делчар Современные методы исследования поверхности, Москва, «Мир», 1989.

67. Е.С.Машкова, В. А. Молчанов, Применение рассеяния ионов для анализа твердых тел, Москва, Энергоатомиздат, 1995.