Импульсные электроразрядные источники плазменных потоков заданного состава и управляемых параметров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И АТОМНОЙ ФИЗИКИ

РГВ од

33.9

.7-7 АВГ 2003

КУЗЬМИЦКИИ Антон Михайлович

ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ ЗАДАННОГО СОСТАВА И УПРАВЛЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ

01.04.08 - Физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск - 2000

Работа выполнена в Институте молекулярной и атомной физики Национальной Академии Наук Беларуси

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Минько Л. Я.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, Гончаров В.К.

кандидат физико-математических нау! Окунев В.Е.

Оппонирующая организация -

Физико-технический институт НАН Беларуси

Защита диссертации состоится "20" июня 2000 г. в 1430 часов на заседая совета по защите диссертаций Д 01.01.01 при Институте молекулярной и атомь физики НАН Беларуси (220072, г. Минск, пр. Ф.Скорины, 70; тел. 284-17-25).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института молекулярн и атомной физики НАН Беларуси.

Автореферат разослан " 19 " мая 2000 г.

Ученый секретарь

совета по защите диссертаций, докт. физ.- мат. наук

B335.3c.0j03

Вззз. 03

В. А. Кузьмиц*

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

Потребности современных технологий стимулируют развитие различных [ектроразрядных способов получения плотных плазменных потоков заданного шического состава в широком диапазоне параметров. К областям тктического использования источников плазменных потоков можно отнести кие, как космическая техника и плазменная технология. Такие потоки плазмы 1ходят применение при решении ряда задач управляемого термоядерного щтеза. Для различного рода применения можно использовать импульсные шменные источники как газоразрядного, так и электроэрозионного типов -5].

Принципиальные трудности, возникающие в газоразрядных щоступенчатых плазменных ускорителях, не позволяют реализовать фаметры плазмы, которые требуются для создания новых плазменных хнологий.

Для повышения параметров газоразрядной плазмы был предложен ¡азистационарный сильноточный плазменный ускоритель (КСПУ) [6 - 11] -¡ухступеичатая плазмодинамическая система с магнитной экранировкой шструктивных элементов ускорительного канала, работающая в режиме шного токопереноса. Такая система позволяет генерировать плазменные >токи с общим энергосодержанием от сотен кДж до сотен МДж, с травленной энергией частиц от сотен эВ до десятков кэВ при длительности нерации от сотен микросекунд до десятков миллисекунд. Реализация такой южной плазмодинамической системы требует знания физических процессов, ютекагощих в ее отдельных элементах, в частности, входном ионизационном гоке (ВИБ). Задачей первой ступени ускорителя - входного ионизационного юка, состоящего из набора входных ионизационных камер (ВИК) является шекция ионизованных водородных плазменных потоков во вторую ступень сновной ускорительный канал). Указанным требованиям вполне может ювлетворять импульсный плазмогенератор, основой которого является 1гнитоплазменный компрессор, позволяющий получать плазменные потоки с »кокой степенью ионизации и низким содержанием примесей в широком 1апазоне параметров.

В электроэрозионных источниках плазмы происходит эрозия электродов изолятора, обусловленная большими тепловыми нагрузками. Величина эрозии гектродов как правило сопоставима с эрозией изолятора. Таким образом, гектродная эрозионная металлическая плазма перемешивается с

диэлектрической эрозионной плазмой, что приводит к неопределенности е химического состава.

Решение многих, научных и технологических задач требует получени плазменных потоков вполне конкретного химического состава, определяемого плазмообразующим рабочим веществом, в качестве которого могу использоваться конструктивные элементы разрядного устройства (электродь: изолятор), а также газ, находящийся в вакуумной камере или подаваемый извн во время существования разряда.

Большой интерес с точки зрения как получения и исследования свойст эрозионных плазменных потоков, так и решения технологических зада1 связанных с нанесением различных покрытий, представляют эрозионны импульсные плазменные ускорители (ИПУ). С помощью ИПУ удается получат достаточно чистую плазму металлов. Однако получение плотных потоков ка газоразрядной, так и плазмы из диэлектриков без значительного содержани примесей является довольно сложной задачей.

Получение плазмы заданного химического состава в зависимости о •поставленной задачи требует такого развития разряда в электроразрядно: системе, который обеспечил бы в эрозионных источниках плазм! преимущественную эрозию конструктивных элементов (электродов ил изолятора), а в газоразрядных системах - наоборот, снизил бы эрозш •электродов и изолятора, а также уменьшил поступление продуктов эрозии основной плазменный поток.

Сходство в параметрах исследуемой плазмы в плазмогенераторах ка электроэрозионного, так и газоразрядного типов, позволяет применить общи; оптико-спектроскопический диагностический подход к исследованию физик рабочего процесса. Несомненным преимуществом такого подхода является ег наглядность, а также возможность определения не только качественного химического состава плазмы, но и измерение основных параметров плазм! (концентрация, температура, скорость) с пространственно-временны] разрешением без внесения возмущений в исследуемый объект.

Цель исследования.

Цель работы состоит в получении плазменных потоков заданног химического состава, определяемого веществом рабочего тела, с управляемым в широком 'диапазоне параметрами (Ме = 1016 - Ш18 см"3; Те = 1-5 эВ) и прогнозируемым содержанием примесей вещества, не входящего в соста рабочего тела, для применения в сложных плазмодинамических системах, также в технологических установках.

Для выполнения поставленной цели необходимо было решить ледуницие основные задачи:

Разработать магнитоплазменный компрессор компактной геометрии, генерирующий газоразрядные плазменные потоки в широком диапазоне параметров.

Создать устройство, позволяющее реализовать импульсный приповерхностный разряд при атмосферном и пониженном давлении. Разработать источники спектрально чистой плазмы из материала диэлектриков.

Методология и методы проведенного исследования. Работа лполнялась с использованием методов высокоскоростной фотографии, ггерферометрии и спектроскопии с пространственно-временным разрешением.

Научная новизна работы.

Реализовано течение плазмы компрессионного характера в шштоплазменном компрессоре компактной геометрии с малым [ергозапасом накопителя (~1 кДж).

Установлено влияние характера развития разряда во входной части врядного устройства магнитоплазменного компрессора на динамику эрмирования, состав и параметры компрессионного плазменного потока.

Обнаружены структурность переднего ускоряющегося фронта плазмы в :нале, а также смещение максимального значения электронной плотности 1азмы компрессионного потока магнитоплазменного компрессора.

Экспериментально обнаружено движение плазмы в заанодную область, (условленное особенностями замыкания выносных токов, и осаждение юдуктов эрозии катода на поверхности анодных стержней с внешней стороны .зрядного устройства магнитоплазменного компрессора, свидетельствующее о юсопереносе материала внутреннего электрода на наружную сторону [ешнего электрода.

Установлено простое условие выбора оптимальных режимов работы шгатоплазменного компрессора компактной геометрии с максимальным щводом мощности в разрядное устройство и относительно высокими |раметрами плазменных потоков (плотность и температура заряженных 1стиц, скорость плазменных потоков) при минимальном количестве примесей лериала электродов, основанное на определении зависимости пиковых :ачений разрядного тока от массового расхода рабочего газа.

6. Предложено разрядное устройство, позволившее впервые реализовать импульсный приповерхностный разряд при атмосферном и пониженном давлении.

7. Обнаружено пространственное растекание канала импульсного приповерхностного разряда при атмосферном давлении и одновременное существование двух каналов разряда при пониженном давлении.

8. На основании исследований импульсного приповерхностного разряда при пониженном давлении разработаны устройства электроразрядной эрозионной плазмы различных конфигураций с плотностью электронов, достигающей 1018 см"3, и температурой электронов - 2-3 эВ обеспечивающие низкое содержание примесей материала электродов.

Научная и практическая значимость полученных результатов.

1. Полученные результаты позволили оптимизировать магнитоплазменный компрессор компактной геометрии, который нашел применение в двухступенчатой системе КСПУ с полуактивным катодным трансформером в качестве активных элементов (входных ионизационных камер) для создания и предварительного ускорения плазмы.

2. Предложенные электроразрядные эрозионные источники плазмы из диэлектрика с низким (прогнозируемым) количеством примесей материала электродов могут найти применение в оптотехнике и микроэлектронике для нанесения тонких пленок и покрытий из материала диэлектрика.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Разработанный магнитоплазменный компрессор компактной геометрии обеспечивает простое управление основными параметрами компрессионных газоразрядных плазменных потоков с низким содержанием примесей в широком диапазоне разрядных токов (20 - 100 кА), что позволяет использовать его в качестве входных ионизационных камер в сложных плазмодинамических системах.

2. Потоки плазмы, генерируемые разработанным магнитоплазменным компрессором, при определенных (6-8 г/с) расходах рабочего газа обладают минимальным количеством примесей и достигают максимальных скоростей течения.

3. Характер развития разряда в источниках эрозионной плазмы различной конфигурации разрядных устройств оказывает определяющее влияние на состав эрозионных плазменных потоков и их основные параметры - плотность и температура заряженных частиц.

Связь работы с крупными научными программами.

Диссертационная работа выполнялась в Институте физики АН БССР, а тем в Институте молекулярной и атомной физики НЛН Беларуси в рамках ;есоюзных программ по реализации проекта КСГГУ в соответствии с:

постановлением Президиума АН СССР, ГКАЭ и Минвуза СССР №164 от '.11.82г.;

постановлением ГКНТ СССР №396 от 26.07.83г.;

постановлением Президиума АН СССР, ГКАЭ и Минвуза СССР № ГУ .6 от 26.11.87г., а также в рамках республиканских программ "Плазма 2.22", [лазма 3.07", "Плазмодинамика 09", по хоздоговорам с ИАЭ им. И.В. /рчатова № 626 от 3.02.84г., № 724 от 11.04.86г., № 824 от 1.04.88г„ № 902 от 33.90г.

Апробация результатов работы.

Изложенные в диссертации результаты докладывались и обсуждались на [ и VII Всесоюзных конференциях по плазменным ускорителям и ионным [жекторам (Днепропетровск, 1986; Харьков, 1989), на XII и XIV Всесоюзных нфсрснциях по высокоскоростной фотографии и метрологии гстропротекающих процессов (Москва, 1987, 1989), на VI Всесоюзной нференции по динамике излучающего газа (Москва, 1987), на научно-хнической конференции "Вакуумные покрытия - 88" (Минск, 1988), на еждународной конференции по интерферометрии (Варшава, 1989), на :есоюзном семинаре по атомной спектроскопии (Москва, 1990), на VII :есоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 91), на конференции по физике и технике плазмы (Минск, 1994), на нференции по физике плазмы и плазменным технологиям (Минск, 1997), на II ;есоюзном симпозиуме по радиационной плазмодинамике (Москва, 1991), на и IV межгосударственных симпозиумах по радиационной плазмодинамике 1осква, 1994, 1997), на XVI, XVII, XIX Международных конференциях по лениям в ионизованных газах (Дюссельдорф, 1983; Будапешт, 1985; Белград, 89).

Личный вклад автора.

Основные результаты диссертационной работы получены автором мостоятельно. Научному руководителю, доктору физико-математических ук Л.Я.Минько, принадлежит постановка задачи исследований, уществление общего руководства. Соавторы публикаций по теме

диссертационной работы внесли следующий вклад. А.И.Морозов сформулировал физические принципы МПК и КСПУ, принимал участие в обсуждении полученных результатов. В.М.Асташинский принимал участие в постановке задачи, проведении экспериментов и обсуждении результатов исследований мапгатоплазменного компрессора. Г.И.Баканович принимала участие в спектроскопических, а Е.А.Костюксвич - в интерферометрических исследованиях магнитоплазменного компрессора. С.ИАнанину принадлежит постановка задачи и выполнение расчетов по численному моделированию течения компрессионных плазменных потоков. В.Б.Авраменко принадлежит постановка задачи и участие в получении и обсуждении результатов исследований по созданию потоков плазмы из диэлектриков. Остальные соавторы опубликованных по теме диссертации работ оказывали помощь в проведении экспериментов.

Публикации по теме диссертации.

По теме диссертационной работы опубликовано 9 статей в научных журналах, одно описание изобретения к авторскому свидетельству, один патент Республики Беларусь, 5 статей в материалах международных конференций, одна статья в материалах конференции, 12 тезисов докладов конференций. Общий объем опубликованных по теме диссертационной работы материалов составляет 102 страницы.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Полный ее объем составляет 131 страницу, в том числе 47 иллюстраций на 47 страницах. Список используемых источников состоит из 136 наименований на 10 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава содержит обзор современного состояния исследований электроразрядных направленных плазменных потоков. Рассматриваются вопросы, плазмообразования в приэлектродных и пристеночных областях эрозионных источников плазмы, а также физические процессы, происходящие в каналах электроразрядных устройств. Значительное внимание уделено анализу состояния уровня исследований компрессионных плазменных потоков в

коаксиальных плазменных ускорителях.

Вторая глава посвящена разработке оптимальной конструкции разрядного устройства, способного работать в качестве активных элементов коаксиального квазистационарного плазменного ускорителя (КСПУ), а также оптимизации режимов его работы. Исследования проводились на МПК компактной геометрии с энергией накопителя 1-10 кДж в режиме "остаточного газа" при начальном давлении водорода в камере Р0 = 1 торр и 10 торр. Начальное напряжение накопителя энергии Ьго варьировалось в пределах 1 - 5 <В. Это позволяло получать максимальные значения разрядных токов до 120 <А. Исследования динамики формирования плазменного потока проводились в условиях колебательного разряда. Для данной конструкции разрядного устройства значение разрядного тока I = 20 кА является критическим. При I < 20 кА плазменный поток наблюдается в виде диффузного облака, при I > 20 кА 5а срезом внутреннего электрода формируется область компрессии.

Сравнительные комплексные исследования свойств плазмы показали, что профиль разделительного изолятора разрядного устройства оказывает шачительное влияние как на состав плазменного потока, так и на его параметры. Исследовалось разрядное устройство с изолятором с развитой товерхностью, выполненным из оргстекла и размещенным в полости несущего фланца (МПК-1), и с торцевым изолятором из эпоксидной смолы, который юлностъю покрывает поверхность несущего фланца в межэлектродном промежутке (МПК-2). Сравнительный анализ полученных результатов показал, ™ использование торцевого изолятора в МПК-2 существенно снижает электрическую прочность последнего, которая становится меньше электрической прочности межэлектродного промежутка в критическом сечении заурядного устройства. В этом случае развитие разряда происходит по товерхности изолятора. Протекание электрического тока вблизи изолятора вызывает его эрозию. Вследствие этого происходит увеличение массы рабочего вещества за счет элементов с более низким потенциалом ионизации и большим 1томным весом, что приводит к снижению скорости плазмы, возрастанию юнцентрации электронов в плазменном потоке и возрастанию энергии «лучения в видимой и ближней ИК области спектра, а также уменьшению степени сжатия (увеличению диаметра потока). Различие в характере пробоя нежэлектродного промежутка оказывает влияние на вид вольтамперной характеристики (ВАХ). При пробое по поверхности изолятора энергия сонденсаторной батареи выделяется, преимущественно, на активном

сопротивлении плазмы, поэтому восходящие ветви ВАХ для квазистационарной стадии разряда в МПК-2 практически линейны и хорошо ложатся на одну прямую для различных напряжений и0. При пробое в критическом сечении (МПК - 1) на форму ВАХ, которые становятся нелинейными и несовпадающими для различных и0, существенное влияние оказывает индуктивное со-противление электродов, которые оказываются различными для различных и<>.

Оптико-спектроскопические исследования динамики излучающей плазмы в межэлектродном промежутке, вблизи электродов и в области компрессии проводились в условиях повышенной эрозии центрального электрода. С целью разделения и наблюдения излучения эрозионной плазмы, образующейся в прианодной и прикатодной областях, электроды были выполнены из различных металлов: катод- из алюминиевого сплава Д16Т, анод - из восьми медных стержней. Динамика развития разряда исследовалась высокоскоростной камерой СФР-Л в варианте фоторегисгратора и лупы времени с использованием узкополосных интерференционных светофильтров с максимумом пропускания на длинах волн 486 нм (1) и 450 нм (2). Применение интерференционных светофильтров позволило разделить вклад, вносимый в излучение атомом водорода и двукратно ионизованным атомом алюминия и проследить динамику формирования плазменных образований в различных спектральных интервалах. Обнаружены перенос плазмы в заанодную область и осаждение продуктов эрозии внутреннего электрода на наружной стороне внешнего электрода. Заполнение диверторного отверстия в оконечной части катода диэлектриком приводит к формированию трубчатой конфигурации плазменного потока. В результате проведенных исследований разработана конструкция магнитоплазменного компрессора, позволяющая получать плазменные потоки в широком диапазоне основных параметров (концентрация и температура электронов) с низким содержанием примесей материала, не входящего в состав рабочего тела.

В третьей главе рассматриваются вопросы повышения эффективности ввода энергии в разрядное устройство с целью получения максимальных параметров плазмы. Т.к. основные параметры плазмы - скорость, температура и концентрация электронов, степень сжатия во многом определяются массовым расходом рабочего вещества, то проводилось измерение параметров газового импульса. Измерения проводились двумя независимыми способами -контактный способ (униполярный разряд) и бесконтактный

(интерференционный). Первый способ основан на измерении тока униполярного разряда, создаваемого острийным металлическим катодом. Изменение расхода газа влечет за собой изменение тока электрического разряда. Размещение электрода в различных областях вакуумной камеры позволило определить время прихода газового импульса, скорость натекания газа и длительность импульса. Зная интегральный расход газа за импульс, можно определить массовый расход атомов и их концентрацию. Расход водорода изменялся в пределах 0,9 - 3,6'1024 частиц или 3 - 12 г/с. Второй :пособ основан на регистрации изменения показателя преломления газового гготока в зависимости от концентрации водорода, от которой рефракция зависит линейно. Результаты обоих методов хорошо согласуются между собой.

Подача газа в межэлектродный промежуток разрядного устройства МПК эсуществляется через 18 отверстий, расположенных симметрично по окружности диаметром 70 мм с внешней стороны анодных стержней. Подача газа со стороны анода позволяет получать радиальную компоненту скорости, ¡«правленную к оси разрядного устройства. Для предотвращения растекания ~аза в радиальном направлении разрядное устройство окружалось кожухом с зиутренним диаметром 75мм. Максимальное значение разрядного тока при юстояшюм зарядном напряжении зависит от расхода нейтрального водорода и гмеет минимум при некотором щ» которое изменяется для различных 1ачальных напряжений на конденсаторной батарее. Экстремум несколько :мещается в сторону увеличения т0 с ростом начального напряжения. Пиковые мгновенные значения ввода мощности в разрядное устройство соответствует жстремальным значениям разрядного тока. Максимальная скорость тлазменных образований компрессионного потока составляет (4 - 7)1см/с и ;оответствует оптимальному массовому расходу водорода.

Основные параметры плазмы (температура и концентрация электронов) определялись оптико-спектроскопическими методами с пространственно-¡рсмснным разрешением. Концентрация электронов в канале и в сомпрессионном потоке определялись по уширению спектральной линии атома юдорода Н. Относительная погрешность определения указанным методом в /словиях эксперимента в связи с наличием сплошного излучения достигает 50%. Значения Ме усреднены по времени и по лучу зрения, что, как показали эасчеты штарковских контуров линии Н .приводит к заниженным результатам. Максимального значения концентрация электронов в плазменном поток юстигает в средней части канала и составляет б'10|бсм'3, в поперечном сечении

компрессионного потока, отстоящем от внутреннего электрода на расстояние в 1 см - 2 1017 см"3 (ио = 4 кВ). Последнее значение соответствует временному интервалу с 10 по 20 мкс от начала разряда и усреднены вдоль луча зрения. Температура электронов, определенная по относительным интенсивностям спектральных линий НиН, для массового расхода ~ 10 г/с и максимального значения разрядного тока ~ 60 кА н расстоянии ~ 1 см от среза катода и усредненная по луче зрения составляет ~ 1 эВ.

Концентрация электронов также измерялась интерферометрическим методом: в канале МПК - лазерным интерферометром с фотоэлектрической регистрацией, за срезом внутреннего электрода - двухлучевым оптическим интерферометром с визуализацией поля. Проведен анализ применимости однодлинноволновой интерферометрии для определения электронной плотности компрессионного потока. Проведена оценка вклада тяжелых частиц в рефракцию плазмы, резонансного влияния спектральной линии Н 656 нм, влияния электронов, находящихся на верхних возбужденных уровнях, учета преломления света на фазовых неоднородностях. Показано, что рефракция плазмы в области компрессии определяется главным образом свободными электронами. Проведенные лазерным интерферометром измерения на расстояниях 1 и 2 см от критического сечения позволили установить временной ход 1\те в канале и оценить скорость переднего фронта плазмы, которая составила 5105 см/с (110 = 5 кВ). Полученное пространственное распределение концентрации электронов за срезом внутреннего электрода для различных моментов времени позволило обнаружить продольные колебания его максимального значения. Измерения концентрации электронов в канале и в области компрессии позволили определить степень сжатия компрессионного потока, которая изменяется от 10 до 50 при изменении разрядного тока от 30 до 100 кА. Исследование плазменных потоков в различных режимах работы магнитоплазменного компрессора позволило выявить оптимальные режимы работы, при которых реализуются относительно высокие параметры плазменных потоков при минимальном количестве примесей материала электродов.

В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований оптико-спектроскопическими методами импульсного приповерхностного разряда при атмосферном и пониженном давлении и источников эрозионной плазмы из материала диэлектриков. Приповерхностный разряд был реализован в устройстве, которое содержит два электрода и

диэлектрическую стенку с двумя отверстиями, предназначенными для истечения в них электродных плазменных факелов. При такой геометрии устройства уменьшается взаимодействие электродных факелов и их влияние на состав эрозионной плазмы, образующейся у поверхности стенки. Расстояние от поверхности электродов до тефлоновой стенки варьировалось в пределах 0,1 -0,5 см. Как показали исследования, плазма в межэлектродном промежутке обладает слоистой структурой, более четко выраженной вблизи электродов. На середине межэлектродного промежутка наблюдается струйная структура течения вещества со скоростью ~ 2 км/с. Спектр излучения плазмы в межэлектродном промежутке, в основном, определяется материалом стенки. Наличие стенки с отверстиями на середине межэлектродного промежутка позволило значительно снизить интенсивность высвечивания спектральных чиний алюминия из плазмы приповерхностного разряда по сравнению со гпектрами излучения в случае отсутствия стенки либо отверстий в стенке. Пространственно-временное распределение интенсивности спектральной линии FI 634, 8 нм показывает, что при приближении к стенке интенсивность этой тании для исследуемых в работе случаев уменьшается. Максимальное зысвечивание спектральных линий наблюдается, в основном, в интервале 1 - 5 wm от поверхности стенки. Спектроскопическими методами проведены тространственно-временные измерения параметров эрозионной плазмы: сонцентрация заряженных частиц на середине межэлектродного промежутка и в тристеночных областях - по штарковскому уширению спектральной линии ггома фтора FI 634,8 нм, в приэлектродных областях - по линиям A1II 466,3 и \IIII 451,2 нм; температура электронов на середине межэлектродного ¡ромежутка и в пристеночных областях вблизи электродов методом относительных интенсивностей спектральных линий иона фтора FII 402,5 и FII И 0,3 нм, в приэлектродных областях методом относительных интенсивностей :пектральных линий иона алюминия АШ 466,3 и АНИ 451,2 нм, принадлежащих эазной кратности ионизации. Анализ измеренных параметров плазмы указывает на сложный характер протекания разряда. Колебательный характер :ространственно-временного распределения параметров плазмы также указывает на слоистую структуру плазмы. Определяющую роль в составе эрозионной плазмы играет материал стенки. Температура электронов в 1ристеночной и в приэлектродных областях составляет ~ 3 эВ, концентрация электронов ~1018 см"3. При переходе к пониженному давлению окружающей ;реды до 10'4 торр характер развития разряда существенно изменяется.

Расположение торцов электродов в одной плоскости со стенкой и их углубление в изоляторы на 1мм позволило уменьшить влияние электродных факелов на состав пристеночной плазмы. Канал разряда, образующийся в начале разряда вблизи стенки, с ростом разрядного тока делится на два канала: первый канал вблизи стенки; второй искривленный канал, из которого образуется ярко светящаяся струя плазмы, распространяющаяся в противоположную от стенки сторону со скоростью ~ 2 км/с. В спектре испускания наблюдаются, в основном, спектральные линии однократно заряженных ионов и наиболее интенсивные линии атомов и двукратно заряженных ионов материала стенки. При использовании алюминиевых электродов наблюдаются наиболее интенсивные линии атомов и ионов алюминия. При использовании вольфрамовых электродов линии материала электродов в спектре испускания на середине межэлектродного промежутка не регистрируются. Анализ распределения интенсивностей спектральных линий позволил установить две области максимального высвечивания: максимумы интенсивностей атомных линий находятся на удалении ~ 0,5 мм от поверхности стенки, а ионных линий ~ 2 - 3 мм. Интенсивности всех спектральных линий уменьшаются с приближением к поверхности стенки. Характер распределения концентрации и температуры электронов подтверждает существование двух каналов разряда.

Дальнейшее снижение содержания примесей материала электродов вплоть до получения спектрально чистой плазмы из диэлектрика стало возможным благодаря разработке специальной конструкции разрядного устройства, которая позволила уменьшить воздействие плазмы на рабочие поверхности электродов и исключило прямое попадание плазмы в истекающую плазменную струю. Все диэлектрические элементы изготавливались из одного плазмообразующего вещества (плексиглас, тефлон). В качестве материала электродов использовались различные металлы в зависимости от задачи исследования. Изучение проводилось при остаточном давлении ~ 10"3 торр. Исследовались две модификации разрядного устройства. Конструкция первого источника эрозионной плазмы состоит из диэлектрической разрядной камеры, двух электродов, установленных с противоположных сторон камеры, и диэлектрических насадок на электроды (причем один из электродов и насадка на него выполнены полыми). Канал электрического разряда огибает диэлектрические насадки и проходит внутри разрядной камеры. За счет омического нагрева эрозионной плазмы давление внутри разрядной камеры

сильно возрастает и выталкивает плазму сквозь отверстие в электроде. Истечение происходит в виде струи под действием, в основном, газокинетического давления, а отбор плазмы осуществляется вдоль канала разряда. Благодаря использованию насадок эрозия электродов уменьшается 5олее, чем на порядок по сравнению с вариантом, когда они отсутствуют. При ^пользовании алюминиевых электродов в спектре излучения присутствуют >чень слабые резонансные линии АН 394,4 нм и АН 396,1 нм. Максимальная жорость истечения плазменных образований на срезе сопла составляет ~ 18 см/с.

Конструкция второго источника эрозионной плазмы отличается от гервого тем, что диэлектрическая разрядная камера имеет коаксиальную юнфигурацию, т.е. на оси камеры расположен диэлектрический стержень, а ;анал разряда имеет трубчатую форму. Наличие стержня позволило, в [астности, значительно увеличить эродируемую поверхность материала (иэлектрика без увеличения размеров разрядного устройства. Отбор плазмы (существляется через одно или несколько отверстий в боковой стенке шрядной камеры. В спектре испускания присутствуют последние линии атома 1сди Cul 327,4 нм и Cul 324,7 нм, которые регистрируются на ы со кочу вств ите л ь ной аэрофотопленке при многократном повторении ксперимента и интенсивность которых зависит от условий эксперимента. Максимальная скорость плазменных сгустков на срезе источника составляет ~ 5 км/с. Основные параметры плазмы определялись спектроскопическими гетодами: температура электронов по относительным интенсивностям линий юна кислорода Oil 418,9 нм и Oil 416,9 нм, а когда эти линии не высвечивались по относительным интенсивностям линий атома водорода Н 486,1 нм и Н434 :м. Концентрация электронов определялась по штарковскому уширению тех же иний. Концентрация заряженных частиц в плазменной струе достигает 1018см" , а температура электронов ЗОЮ3 К. Изменяя геометрические размеры азрядной камеры (площадь сечения выходных отверстий, объём электродных амер) можно получать плазму из материала диэлектрика с различным оличеством примесей материала электродов, а также регулировать их оличество. Отсутствие капельно - жидкой фазы в плазменной струе роверялось путем напыления тонкой пленки на необработанную ситалловую одложку. При анализе осажденной пленки с помощью металлографического [икроскопа при определенных условиях указанных фаз не наблюдается, ассмотрены причины загрязнения плазмы диэлектрика веществом электродов

и способы повышения ее чистоты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе исследованы физические процессы в электроразрядных источниках плазмы различных типов, изучена динамика и свойства генерируемых ими плазменных потоков. На основании установленных закономерностей разработаны и оптимизированы плазмогенератор на основе магнитоплазменного компрессора компактной геометрии и электроразрядные источники эрозионной плазмы с пониженным содержанием примесей. Проведенные плазмодинамические исследования позволяют сделать следующие основные выводы о способах получения плазменных потоков с управляемыми параметрами, а также перспективах их использования.

1. Разработан плазмогенератор на основе магнитоплазменного компрессора компактной геометрии, в котором за счет локализации зоны ионизации в критическом сечении и предотвращения повторных пробоев по поверхности изолятора получены компрессионные плазменные потоки в широком диапазоне основных параметров (Ые ~ 1016 - 1017 см"3, Те ~ 1 - 2 эВ) с достаточно низким содержанием примесей элементов, не входящих в состав рабочего газа, пригодные для использования в сложных плазмодинамических системах [3,4 И, 12, 16,18].

2. Экспериментально обнаружено существование заанодной плазмы с внешней стороны анодных, стержней в виде плазменной оболочки со специфическим распределением параметров. Выявлен перенос продуктов эрозии внутреннего электрода на внешнюю сторону наружного электрода и осаждение его в виде пятен. Получены различные конфигурации плазменного потока за срезом внутреннего электрода, соответствующие различным радиальным распределениям интенсивностей спектральных линий [9, 14, 17, 27].

3. Установлено простое условие выбора оптимальных режимов работы магнитоплазменного компрессора, основанное на определении зависимости пиковых значений разрядного тока от массового расхода рабочего газа, позволяющее для каждого значения начального напряжения на конденсаторной батарее выбрать расход газа, при котором реализуются относительно высокие

параметры плазменных потоков = (1 - 2) 1017 см"3, Те = 1 - 2 эВ, V = (4 -7)'Ю6 см/с) при минимальном количестве примесей материала электродов [8, 22].

4. Получена пространственно-временная картина распределения <онцентрации электронов за срезом внутреннего электрода магнитоплазменного <омпрессора в широком диапазоне разрядных токов (20 - 100 кА) и массового расхода водорода (3 - 12 г/с) на стадии устойчивого существования компрессионного потока с характерными размерами (на уровне электронной ■шотности2'1016 см"3): диаметр ~ 1 см, длина- 4 -5 см [7, 13, 19, 24].

5. Реализован импульсный приповерхностный разряд при (тмосферном и пониженном давлении, в котором достигаются достаточно ¡ысокие параметры плазмы (хЧ ~ I О18 см"3, Те ~ 3 эВ), с относительно низким удержанием примесей материала электродов. Установлена взаимосвязь сарактера развития канала импульсного приповерхностного разряда с распределением основных параметров плазмы. Обнаружено пространственное >астекание канала разряда при атмосферном давлении и одновременное ¡уществование двух каналов разряда с близкими параметрами плазмы при юниженном давлении [1, 2, 10].

6. Создан электроразрадный источник эрозионной плазмы с иазмообразующим веществом из диэлектрика, работающий при давлении - 10"

торр в широком диапазоне начальных условий (и0 =1-6 кВ) и >беспечивающий за счет применения специальных насадок пониженное более гем на порядок поступление материала электродов [6, 20, 25, 28].

7. Создан электроразрядный источник эрозионной плазмы с разрядной самерой, имеющей коаксиальную геометрию, и плазмообразующим веществом 13 диэлектрика, обеспечивающий получение спектрально чистой плазмы из щэлектрика, а также регулируемое количество примесей материала электродов 1ри пониженном давлении в широком диапазоне начальных условий (11о =1-6 (В, наружный диаметр разрядного устройства - 20 - 100мм, площадь отверстий щя истечения плазменной струи - 12 - 100 мм2), который может быть юпользован в оптотехнике и микроэлектронике для нанесения тонких пленок и гакрытий [6, 26,29].

Список РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО TIME ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в научных, журналах:

1. Авраменко В.Б., Кузьмицкий A.M., Минько Л.Я. Оптико-спектроскопические исследования импульсного приповерхностного разряда при атмосферном давлении // ТВТ. Т.20, №6. - 1982. - С. 10521056.

2. Авраменко В.Б., Кузьмицкий A.M. Исследование импульсного приповерхностного разряда при пониженном давлении // ТВТ.- 1984. -Т.22, №1. - С.31-34.

3. Импульсный плазменный ускоритель на основе разрядного устройства магнитоплазменного компрессора компактной геометрии / Л.Я.Минько,

B.М.Асташинский, Г.И.Баканович, А.М.Кузьмицкий // Известия АН БССР,- 1986,- Вып.2.- С.46-50.

4. Влияние характера развития разряда в МПК компактной геометрии на параметры компрессионного потока / В.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Е.А.Костюкевич, А.М.Кузьмицкий, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько //ЖПС. - 1989. - Т.50, №6. - С. 887-891.

5. Исследование процессов формирования плазменных потоков в квазистационарном сильноточном плазменном ускорителе (КСПУ) /

C.И.Ананин, В.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Е.А.Костюкевич, А.М.Кузьмицкий, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько, А.И.Морозов // Физика плазмы. - 1990,-Т.16. Вып. 2,- С. 186-196.

6. Асташинский В.М., Ефремов В.В., Костюкевич Е.А., Кузьмицкий A.M., Минько Л.Я. Интерференционно-теневые исследования процессов в магнитоплазменном компрессоре // Физика плазмы. 1991. Т.17. Вып. 9. С. 1111-1115.

7. Авраменко В.Б., Кузьмицкий A.M. Электроразрядный способ получения плазмы из материала диэлектрика // ВТТ. 1991. №2. С. 41-43.

8. Выбор режимов работы и параметры плазмы магнитоплазменного компрессора / В.М.Асташинский, Г.И.Баканович, А.М.Кузьмицкий, Л.Я.Минько // ИФЖ. -1992 -Т.62, №3. - С. 386-390.

9. Авраменко В.Б., Кузьмицкий A.M. Формирование плазменного потока в магнитоплазменном компрессоре компактной геометрии в условиях повышенной эрозии катода// ЖПС. - 1996. Т. 63, №2,- С. 323-327.

Статьи в материалах международных конференций:

10. Min'ko L.Ya., Avramenko V.B., Kuzmitsky A.M. Investigation of the dynamics of electrode and wall plasma structures in impulsing surface and near-surface dischanges. XVI Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, Duesseldorf, 1983, v.2, p.288-289.

11. Dynamics of low-energy compression plasma flows / L.Ya. Min'ko, S.I.Ananin, V.M.Astashinsky, G.I.Bakanovich, E.A.Kostyukevich, A.M.Kuzmitsky // XVII Int. Conf. of Phenomena in Ionized Gases. Budapest, - 1985,- V.2.- P.966-968.

12. Generation of direct plasma flows /V.M.Astashinsky, S.I.Ananin., G.I.Bakanovich, E.A.Kostyukevich, A.M.Kuzmitsky, A.A.Man'kovsky, L.Ya.Min'ko / XIX Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Belgrade,- 1989. -VI.- P.216.

13. Interferometric stend with a laser-source for investigation of plasma accelerators / V.M.Astashinsky, E.A.Kostyukevich, A.M.Kuzmitsky, L.Ya.Min'ko//Proceedings. SPIE. USA. - 1990. -V.1121. P.650-654.

14. Авраменко В.Б., Кузьмицкий A.M. Исследование некоторых особенностей работы магнитоплазменного компрессора в условиях повышенной эрозии катода. Мат. конф. "Физика и техника плазмы". Минск, 1994. Т.1. С.112-115.

15. Авраменко В.Б., Кузьмицкий A.M., Минько Л.Я. Применение уширения спектральных линий в диагностике электроразрядных эрозионных плазменных потоков // 2 Yugoslav-Belarussian Simposium on Phusics & Diagnostics of Laboratory & Astrophysical Plasmas. Београд, - 1998. -P.59-62.

Тезисы докладов конференций:

16. Экспериментальное исследование и численное моделирование физических процессов в МПК компактной геометрии / Л.Л.Минько, С.И.Ананин, В.М.Асташинский, Г.И. Баканович, Е.А.Косгюкевич, А.М.Кузьмицкий // VI Всес. конф. по плазм, ускор. и ионным инжекторам. Тез. докл. Днепропетровск, - 1986.- С. 176-177.

17. Минько Л.Я., Авраменко В.Б., Кузьмицкий A.M. Динамика излучения плазмы в приэлектродных областях магнитоплазменного компрессора с выраженной эрозией катода // VI Всес. конф. по динамике излучающего газа.

Тез. докл. Москва, - 1987. - С.23-24.

18. Динамика излучающих компрессионных плазменных потоков / Л.Я.Минько, С.И.Ананин, В.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Е.А.Костюкевич, А.А.Маньковский, A.M.Кузьмицкий // VI Всес. конф. по динамике излучающего газа. Тез. докл. Москва,- 1987.- С.22-23.

19. Интерферометрические исследования компрессионного потока магнитоплазменного компрессора / В.М.Асташинский, Е.А.Костюкевич, A.M.Кузьмицкий, Л.Я.Минько //12 Всес. научно-техн. конф. "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов." Тез. докл. Москва, - 1987. - С. 32-33.

20. Авраменко В.Б., Кузьмицкий A.M. Источник эрозионной плазмы из материалов диэлектрика// Научно- техн. конф. "Вакуумные покрытия-88". Тез. докл. Минск, - 1988. - С. 50-51.

21. Интерференционно-теневые исследования физических процессов в канале магнитоплазменного компрессора / В.М.Асташинский, Е.А.Костюкевич,

A.М.Кузьмицкий, Л.Я.Минько //14 Всес. научно-техн. конф. "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов. " Тез. докл. Москва, - 1989. - С. 90.

22. Экспериментальное исследование и численное моделирование плазмодинамических процессов в квазистационарном сильноточном плазменном ускорителе / А.И.Морозов, Л.Я.Минько, С.И.Ананин,

B.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Е.А.Костюкевич, А.М.Кузьмицкий, А.А.Маньковский // VI Всес. конф. по плазм, ускорит, и ионным инжекторам. Тез. докл. Харьков,- 1989. -С.39-40.

23. Асташинский В.М., Костюкевич Е.А., Кузьмицкий A.M. Влияние подачи газа на режим работы магнитоплазменного компрессора // VI Всес. конф. по плазм, ускорит, и ионным инжекторам. Тез. докл. Харьков, - 1989. -

C.185-186.

24. A laser-source interferometric bene for investigation of plasma accelerators / V.M.Astashinsky, E.A.Kostyukevich, A.M.Kuzmitsky, L.Ya.Min'ko // Interferometry 89. Warschaw, - 1989.- P.100.

25. Авраменко В.Б., Ковалев A.M., Кузьмицкий A.M. Исследование струи эрозионного источника плазмы // Семинар по атомной спектроскопии.

Тез. докл. Москва, - 1990. - С. 84.

26. Авраменко В.Б., Ковалев A.M., Кузьмицкий A.M. Источник эрозионной плазмы с диэлектрической разрядной камерой коаксиальной геометрии // VIII

Всес. конф. по физике низкотемп. плазмы. Тез. докл. Минск, - 1991.- С. 129-130.

27. Авраменко В.Б., Кузьмицкий A.M. Спектроскопические исследования плазменного потока магнигоплазменного компрессора за срезом катода при отсутствии диверторного отверстия. // III межгосударственный симпозиум по рад. плазмодинамике. Тез. докл. Москва, - 1994. - С. 74-75.

Изобретения:

28. A.C. 1248524 СССР. Источник эрозионной плазмы / В.Б.Авраменко, А.М.Кузьмицкий.- Заявл. 29.11.1984. № 3817709/24-25 (143918); МКИ Н 05 Н 1/00. (СССР).

29. Авраменко В.Б., Кузьмицкий A.M., Ковалев A.M. Источник эрозионной плазмы. Патент 2643 РБ. Заявл. 9. 9. 1996 №960465, МКИ Н05 И 1/00 (РБ).

РЭЗЮМЭ. Кузышща Антон М1хайлав1ч. Электраразрадные ¿мпульсньи крынщы плазменных плыняу вызначанага складу 1 шруемых параметрау.

Ключавыя словы: магштаплазменны кампрэсар, ¡мпульсны прыпаверхневь разрад, электразрадная крынща эразшнай спектральна чыстай плазмь дыэлектрыка, оптыка-спектраскап!чныя метады даследавання, вакуум.

Распрацаваны газаразрадные \ элекграэразшные крынщы плазмь спецыяльнай канструкцьп, яюя валодаюць агульнасцю высокаэнергетычньп плазменных плыняу вызначанага Х1м1чнага складу с кантраляванай колькасцк дамешкау матэрыяла электродау для выкарыстання у складаны; плазмадынам1чных сктэмах, а таксама для тэхналапчнага карыстання. Дш кантролю параметрау плазмы ужываны оптыка-спектраскашчныя электратэхшчныя метады даследавання.

Распрацаваны магнитаплазменны кампрэсар кампактнай геаметрьн дл; атрымання газаразрадных плазменных плыняу з шзюм утрыманнем дамешка; матэрыяла электродау 1 ¡залятара. Магнитаплазменны кампрэсар ужываны ; двухступенькавых плазменных паскар&тьшках з пауактыуным катодныи трансформерам.

Зыходзячы з прапанаванага новага тыпу разрада - iмпyльcнaп прыпаверхневага разрада - крынщы для атрымання спектральна чыстай плазмы : дыэлектрыкау 1 паказана магчымасць ¿х ужывання у вакуумнай тэхналоп атрымання тоних плёнак з матэрыяла дыэлектрыкау без зауважныз мшрадэфсктау. Паказана перспектыунасць выкарыстання электраразрадкыз крышц эразшнай плызмы з дыэлектрыка у оптатэхнщы 1 м1краэлектрошцы дл: нанясення тонюх плёнак и пакрыттяу.

'ЕЗЮМЕ. Кузьмицкий Антон Михайлович. Электроразрядные импульсные [сточники плазменных потоков заданного состава и управляемых параметров.

ключевые слова: магнитоплазменный компрессор, импульсный рпповерхностный разряд, электроразрядный источник эрозионной спектрально-истой плазмы диэлектрика, оптико-спектроскопические методы исследования, акуум.

Разработаны газоразрядные и электроэрозионные источники плазмы пециальной конструкции, генерирующих плазменные потоки заданного имического состава с контролируемым количеством примесей материала пектродов для применения в сложных ллазмодинамических системах и для ехнологического использования. Для контроля параметров плазмы использованы птико-спектроскопические и электротехнические методы исследования.

Разработан магнитоплазменный компрессор компактной геометрии для олучения газоразрядных плазменных потоков с низким содержанием примесей атериала электродов и изолятора. Магнитоплазменный компрессор использован двухступенчатых плазменных ускорителях с полуактивным катодным рансформером.

На основе предложенного нового типа разряда - импульсного риповерхносгного разряда - разработаны источники для получения спектрально-истой плазмы из диэлектриков и показана возможность их применения в акуумной технологии получения тонких пленок из материала диэлектриков без шетных микродеффектов. Показана перспективность использования тектроразрядных источников эрозионной плазмы из диэлектрика в оптотехнике микроэлектронике для нанесения тонких пленок и покрытий.

ABSTRACT. Kuzmitsky Anton Michailovich. Electrodischarge pulse sources < plasma streams of given composition and controllable parameters.

Key words: magnetoplasmadynamic compressor, pulse near-wall discharg electrodischarge source of erosion spectroscopically-pure dielectric plasma, opticc spectroscopical research techniques, vacuum

The basic purpose of this work consists in development of specific discharge- an electroerosive plasma sources generating plasma streams of given chemical compositio which have controllable impurities quantity of electrodes material for application i complex plasmadynamic systems and for technological use. The optico-spectroscopic; and electrotechnical research techniques will be utillized.

The magnetoplasmadynamic compressor of compact geometry is designed for obtainin discharge plasma flows with low impurity level of electrodes material and insulate material . The magnetoplasmadynamic compressor is utillized in two-staged plasm accelerators with a semi-active cathode transformer.

On the basis of the offered new type discharge (so called pulse near-wall discharge sources for obtaining spectroscopically-pure dielectric plasma are designed and th opportunity of their application in vacuum technology for thin films deposition fror material, of dielectrics without noticeable microflaws is shown. The electrodischarg spurces of erosive dielectric plasma can be utilised in optical technics an microelectronics for thin films and coatings deposition.