Радиальная структура и нейтрализация ионных пучков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

. МОСКОВСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ

институт ..

: : (технический университет)

На правах рукописи

Каримов-Александр Рашатович

РАДИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА И НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ИОННЫХ ПУЧКОВ

/ 01.04Л4-Теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учейой степени кандидата физико- математических наук

Автор

I:

Москва-1994

Работа выполнена в Энергетическом институте им. Г.М.Кржижановского

Научный руководитель: кандидат технических наук, с.н.с.. Плешанов А.С;

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Щеглов В.А.

кандидат физико-математических наук, с.н.с. Алексеев К.П.

. Ведущая организация: Институт высоких температур Российской Академии Наук

Защита состоится с к в /S часов на заседании ; специализированного совета Д053.03.02 в МИФИ по адресу: 115409, г.Москва, Каширское шоссе, 31, тел. 323-91-67

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан" '-c-t а <ч 1994 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь специализированного совета

Е.М.Кудрявцев

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Сильноточные ионные системы перспективны для решения ряда научных и практических задач в области плазмохимии, космической и лазерной техники, медицины и т.д. •

Дальнейший прогресс происходит в сторону увеличения токов и характерных поперечных размеров пучков, расширяется компонентный состав, используемых ионов. В этих условиях заметную роль начинают играть явления, связанные с тем, что сам пучок является источником неравновесности, способной привести к изменению радиальной структуры. Также следует учитывать влияние параметров реальных схем (геометрические размеры, состояние среды, через которую распространяется пучок и т. д.), которые также могут существенным образом подействовать .на структуру пучка. Поэтому для диагностики таких пучков, их транспортировки на достаточно большие расстояния становится актуальной задача исследования пространственного распределения в пучке при его распространении.

В ряде приложений используются пучки нейтральных частиц. Высокоэнергетические пучки атомов получаются из заряженных пучков нейтрализацией заряда ионов. Одним из возможных способов нейтрализации является способ на основе фотоиоппзацни отрицательных ионов. Однако существующие схемы лазерной нейтрализации ориентированы на слаботочные пучки. Поэтому при расширении спектра используемых ионов актуальной становится задача создания схем нейтрализации, способных работать с сильноточными пучками, оценка эффективности их использования.

Цель работы. Данная работа посвящепа исследованию некоторых особенностей транспортировки II нейтрализации сильноточных ионных пучков. Исследуются факторы, способные повлиять на пространственную структуру ионного пучка большого сечения применительно 1с типичным экспериментальным условиям. Исследуется возможность создания лазерного ' нейтрализатора отрицательных ионов на основе НР-системы. ч

Научная новизна работы. Научная новизна работы, состоит в том, что: "

-показана возможность получения в эксперименте немонотонных раднальных распределений в пучке;

-исследовано влияние параметров системы, способных повлиять па радиальный профиль;

-рассмотрены механизмы, приводящие к трансформации радиального распределения;

-в пщр о динамическом приближении рассмотрена устойчивость неоднородной плазмы и параметров плазменной системы с учетом кинетических процессов, индуцированных пучком; -предложена схема лазерной нейтрализации; -предложена схема оценки параметров пучка и оптически активной среды;

-построена кинетическая модель оптически активной среды на основе НИ лазерного нейтрализатора, в рамках которой исследованы основные характеристики данной лазерной системы.

На защиту выносятся: результаты по формированию и транспортировке ионных пучков, а также теоретические исследования лазерной нейтрализации отрицательных ионов и оптически активной среды нейтрализатора, содержащей молекулы НЯ , ,

Практическая ценность работы заключается в том, что результата, относящиеся к исследовашпо особенностей транспортировки пучков, могут быть полезны для диагностики пучков, и были применены при анализе экспериментальных результатов в работе по созданию водородного инжектора, а также для выбора параметров системы, при которых реализуется требуемое радиальное распределение в пучке. Практические следствия из исследования по лазерной нейтрализации состоят в том. что впервые предложенные схема нейтрализации и методика оценки основных параметров системы позволяют разработать систему по получению высокоэнсргетических пучков нейтральных атомов. .

Апробация работы. Результаты работы представлены в 8 статьях, 1 изобретении, 9 технических отчетах. ;

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 124 страницах машинописного текста, 28 рисунков и списка литературы, из 99 названий. .

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ \

Во Введении кратко . обоснована" актуальность проблемы, сформулирована цель работы, ее научная новизна.

В разделе Особенности транспортировки пучков болынбго сечения обсуждаются условия транспортировки сильноточных ионных пучков . с учетом особенностей реальных экспериментальных схем. Для экспериментального исследования пространственной структуры сильноточных пучков большого сечения и особенностей ее формирования использовался Н* пучок, применительно к которому были проделаны соответствующие расчеты и рассмотрены возможные

механизмы образования пространственной структуры в процессе транспортировки.

- Рассмотрено влияние конечных размеров системы на процесс компенсации пространственного заряда пучка. Исследован предельный вариант, в котором все пучковые ионы, попадающие на стенку, отражаются обратно и участвуют в ионизации. Использовалась диффузнозеркальная модель рассеягаш. Получена формула оценки характерного времени компенсации, учитывающая конечные размеры системы, для путаа радиуса я^ и длиной Цф:

Л*

Т* = Д?

ч1/2

__

(О

(1- а)^ь)п/ь + ао( У„)пгУьУ„ )

где У№- диффузная составляющая скорости рассеянных частиц, а а -часть рассеянного потока по диффузному механизму, -

характерный радиус пучка. На основе (1) сделаны заключения о характере зависимости времени компенсации от параметров системы, входящих в данное выражение (энергия пучка, геометрические размеры, вклад диффузной и упругой части отраженных ионов, плотность нейтрального газа).

Изложены результаты по исследованию формирования и транспортировке ионных пучков с неоднородным радиальным распределением плотности. Кроме начальной неоднородности, обусловленной работой ионного источника, рассмотрены механизмы •образования неоднородного радиального профиля пучка, связанные с самим пучком, как источником- неравновесности. Во-первых, в процессе транспортировки профили плотности с провалом в центральной части в ионных пучках могут формироваться в результате перезарядки на неоднородном фоне с характерным размером неоднородности, соизмеримым с характерным радиусом пучка Подобное распределение может получаться также под действием собственного кулоновского поля пучка при учете фокусирующего действия ионной оптики: радиальное движение ионов определяется собственным электрическим полем, величина которого тем больше, чем частица дальше находится от центра, и начальным радиальным импульсом, направленным к центру пучка, и возрастающим с увеличением начального радиуса иона на поверхности ионной оптики. Под действием этих факторов возможно такое перераспределение частиц в пучке, что вместо одного центрального максимума будут формироваться два максимума в точках, где радиальная составляющая импульса равна нулю.

45,60, 75°•

п, оти.ед. 1.2

Представлены экспериментальные результаты по формированию неоднородного радиального распределения. Исследовались импульсные (длительность импульса порядка 10 мкс) сильноточные (10А) ионные пучки с характерным поперечным размером порядка 0.1 м. Фокусное расстояние ионной оптики /=0.8 м. Характерные экспериментальные распределения плотности по сечению пучка в радиальном направлении при транспортировке • в магните представлены на рис.1. Кривая 1, 2, 3, 4, 5 относится к углу <р=15, 30, соответственно.

В представленном эксперименте вариант формирования неоднородного распределения, обусловленный собственным полем, не реализуем, поскольку экспериментальные результаты соответствуют временам, когда процесс, установления компенсации заряда пучка прошел и собственное поле недостаточно велико, чтобы работал данный механизм. Поэтому этот механизм в работе описан, но ■• подробно не исследовался. Оценка параметров вторичной плазмы, определяющих величину этого поля, проводилась на основе предложенной простой модели. Далее эта модель использовалась для анализа экспериментальных данных.

Применительно к условиям эксперимента рассматривается эволюция неоднородного радиального распределения безотносительно к механизму его образования. В качестве характерного начального распределения использовалось кольцевое и однородное по сечению распределение. Исследование проводилось аналитически и численно в рамках кинетического подхода. Установлено, что в условиях эксперимента тепловое расхождение не оказывает влияния при г<]07^. Тогда как на больших расстояниях расширение пучка, связанное с тепловым разбросом, следует принимать во внимание. Также было показано, что тепловой разброс не; может вызвать флуктуации собственного . поля пучково-плазменнон системы, способные заметным образом изменить структуру пучка. Сравнивая соответствующие экспериментальные и расчетные данные, можно сделать заключение о возможности образования данного экспериментального радиального распределения за счет неоднородности начального распределения и теплового разброса.

Рнс. 1

Подробно исследован механизм формирования немонотонного радиального профиля под действием перезарядки. Для автокомпенсации пространственного заряда пучка необходимо, чтобы плотность фонового газа была достаточно большой. В ряде случаен необходимые условия создаются дополнительным вводом в систему потока газа. Если ионный пучок инжектируется тогда, когда пространственное установление газа не прошло, и если в системе к моменту поступления пупса существуют значительные пространственные градиенты плотности, соизмеримые с характерным поперечным размером пучка, то возможно изменение пространственной структуры пучка вследствие процесса перезарядки. В данном разделе исследовалась радиальная структура ионного пучка, распространяющегося по нейтральному фону, когда может реализоваться выше описанная ситуация.

Из решения задачи о заполнении цилиндрического объема

N//N0/

Я.м

Я, м

Рис. 2 Рис. 3

нейтральным газом найдено пространственное распределение фонового газа при нестационарном напуске. Использовался метод прямого статистического моделирования. Предполагалось, что реализуется свободиомолекулярный режим и расходом газа на перезарядку и ионизацию можно пренебречь. Характерное радиальное распределение приведено для двух сечений по г вблизи точки напускало. 15м) и у противоположного торца(2=5.75м) на рис.2, 3 соответственно.

Кривые 1, 2, 3, 4, 5 относятся к временам 1=5, 15, 25, 35, 45 мс соответственно. Начиная с времен больших 50 мс, происходит выравнивание давления по объему.

т /

N/Nob

i

10«

¡02

103

104 105

Рис. 4

r, м

Изменение профиля #пучка с начальным радиальным распределением гауссовского типа, распространяющегося по такому неоднородному фону рассмотрено при различных характерных размерах пучка 2ЯЬ (Ц=0.1м, 02=0.15м, 0,=0.2м ). Зависимости радиальных рас-пределешй плотности по тра-

ектории пучка для трех значений z представлены на рис.4. Кривые 1 (к), 2(к), Ъ{к) получены при 2=0, 1, 1.5 м соответственно, здесь к относится itDt.

В разделе Устойчивость нонио-пучкошлх систем исследуются низкочастотные электростатические колебания неоднородной плазмы. Данный вопрос представляет интерес с точки зрения устойчивости неоднородных, распределений рассмотренных ранее. Используется метод функционала Ляпунова. Из системы линеаризованных уравнений гидродинамики и уравнения Пуассона получена краевая задача относительно возмущенной напряженности электрического поля, которая представляет собой линейное уравнение в частных производных с коэффициентами, зависящими от пространственной координаты

еЕ0 де 2 п —— + сор £=0,

dl1 дх

М дх

(2)

здесь Я,- равновесная напряженность, ¿ир = (4/м)'" - ленг-

мюровская частота в неоднородной плазме, = скорость

звука, где Т, М, е - температура, масса и заряд ионов соответственно, при однородных граничных условиях

*(0) = е*(0) =*(«) = (3)

здесь а- ширина плазменного слоя. Для задачи (2), (3) построен функционал Ляпунова в виде простой квадратичной формы, из которого следует условие устойчивости неоднородного плазменного слоя конечной ширины

| И (г) {ек{\ + к)ПМС^)^—\\с1г £К

где Г (г) =ехр (2кей\!МС^). Ф0 - равновесный потенциал, отвечающий неоднородному распределению плотности К - положительная

(4)

константа. В частности, используя (4), показано, что устойчивым является параболическое распределение N = /^(1 + /Ь!), где Ь-

характерный размер неоднородности.

Рассмотрен, случай, когда источником возмущений является граница раздела заряженного слоя и пучковой плазмы. Показано, что учет неоднородности в этом случае не играет никакой ролл. Дисперсиошюе соотношение в этом случае совпадает с дисперсионным уравнением для скользящих потоков.

Исследуется влияние кинетических явлений, сопровождающих, прохождение заряженного пуша через нейтральный газ, на параметры ■ ленгмюровских колебаний на примере процесса ионизации. Для выявления качественного характера влияния кинетических процессов этого вполне достаточно, поскольку другие индуцированные кинетические процессы проходят аналогичным образом. Задача решалась в гидродинамическом приближении и постановке Лагранжа. Получено, что амплитуда и период колебаний электронной компоненты с ростом времени убывают.

Раздел Лазерная нейтрализация пучков отрицательных ионов посвящен исследованию лазерной нейтрализации пучкоп отрицательных ионов. Предлагается схема лазерной нейтрализации, объединяющая в одном резонаторе активную среду, в которой происходит генерация вынужденного излучения, и область взаимодействия пучка с излучением. Схема нейтрализации, реализующая данный подход с использованием в качестве активной среды сверхзвуковых газовых струй, представлена на рис.5. Здесь приняты следующие обозначения: I-поток энергоносителя, 2-рабочая смесь, 3-сопловые решетки, 4-активная среда, 5-зеркала резонатора, 6-область взаимодействия пучка с излучением.

Для данной схемы получено соотношение, позволяющее связать параметры пучка и лазерного нейтрализатора друг с другом

(5)

ал Ь

Здесь Л, с, , о (к)- постоянная Планка, скорость света и ионов в - пучке, сечение нейтрализации отрицательных ионов водорода па длине волны X соответственно, /-характерный размер активной среды вдоль. оптической оси резонатора, ¿-диаметр пучка отрицательных ионов, Ь - оптическая Длина резонатора, - коэффициенты отражения зеркал, резонатора. (7- массовый расход, Е-удельная энергия излучения, "

Рис.5

е - требуемая степень нейтрализации, которая определяется как

е=1-

где пь(х) - концентрация отрицательных ионов на длине х, и0 -начальная концентрация на входе в нейтрализатор. Исходя из (5) введен критерий, позволяющий сделать начальный выбор типа оптически активной среды к рассматриваемому пучку,

где Лй - длина волны, отвечающая энергии сродства электрона в ионе, Ь- квантовое число углового момента уровня, на который переходит электрон. ;

На примере класса. ГДЛ, работающих в ИК-области спектра, показано, как используя данную методику выбрать лазерную систему для нейтрализации отрицательного иона. Оценка выведенной лазерной энергии, работающего на колебательно-вращательных переходах, проводилась по модели гармонических осцилляторов.: Показано, что для нейтрализации отрицательных ионов таких как, например, А1, В, Бс, Ре, Тл целесообразно испо^зовать НР-снстему. Отметим, что величина энергии, рассчитанная по модели гармонических осцилляторов, может отличаться от значения, которое получается, используя более точную модель. Таким образом, приведенное рассмотрение позволяет указать только тенденцию, окончательный выбор активной среды для нейтрализации отрицательного иона необходимо проводить с использованием более точной оценки энергии излучения.

Рассмотрен вопрос о влияют смешения в системе Н2-НР-Не на энергетические параметры исследуемой системы. Анализ полученных зависимостей показывает что удельный запас колебательной энергии в исследуемой смеси вплоть до мольного содержания Не 40-50% остается достаточно высоким, чтобы обеспечить работу лазерного нейтрализатора.

Раздел Оптически активная среда (НБ-ГДЛ) лазерного пентралн-■ затора посвящен детальному исследовашпо возможности получения оптически активной среды, содержащей молекулы НР в качестве излучающих, по принципу ГДЛ для предлагаемой схемы лазерной нейтрализации.

Колебательная кинетика НИ рассматривалась для плоского сопла Лаваля с угловой точкой, высотой критического сечения 0,3 мм и полууглом раскрытия сопла в угловой точке 0=60° • Дозвуковой профиль сйпла определялся по формуле Витошинского с длпноп дозвуковой части 2,5 мм. В качестве сверхзвукового профиля сопла

у I 2х

Лаваля использовался параболический профиль -= -.11 -+■ — tgO,

^кр » ^

где х - координата вдоль оси еопла. Рассматривалась колебательная кинетика смеси Н2-НР-Не, нагретой до Т=2700 К, при истечешш ее из плоского сопла Лаваля при различных значениях давления торможешм в диапазоне 0.5-5 МПа с учетом следующих процессов: НР(У)+МоНР(У-1) + М, М = НР, Не, Н2;

НР( V)+НР( V) о НР( V+1)+НР(У -1), Н2(Ь)+НР(У) о Н2(£-1)+НР(У+1), Н2(\0 + М о Н2(У-1) + М, М = НР, Не, Н2.

Колебательная кинетика НР рассматривалась в ангармоническом приближении, кинетика Н^ в рамках модели гармонических осцилляторов. '...'• . Характерное распределение по колебательным уровням в НР приведено на рис.6 дня двух разных составов газов ZliГ. =5%, ZHc~95%, (сплошные линии) и ZHF=5%, Zm=25%, 2Не-70% (штриховые линии) в различных сечениях сопла Лаваля: в дозвуковой части (х=0 мм), в сверхзвуковой, околокритической части (х=5 мм) и на выходе из сопла (х=25 мм). В. обоих олучаях параметры торможения Т0 =2700 К, Р0-1 МПа. . в

Коэффициенты, усиления на каждом колебательно-вращательном переходе у+1, ] (Р-ветвь) рассчитывались в предположении

. доплеровского механизма уширення спектральных линий. Для см-ссеп НР-Не во всех просчитанных вариантах с различными значениями Р0

и 2Не максимальное значение достигалось всегда на длине волны

3.22 мкм, соответствующей переходу (у=5,У=4 => у=4¿-5). N7 ,

Исследонаио влияние концентрации водорода и гелия на ауаксн значения координаты сечения Хмахс в свд^хзвуковой части сопла, в котором достигается максимальное значение коэффициента усиления. Получено, что присутствие водорода отрицательно сказывается на коэффициенте усиления. Найдено оптимальное значение концентрации гелия.. Также исследовано влияние Р0 на лазерные характеристики в диапазоне давлений торможения 0,5-50 МПа при 2Ие = 95% и ТС=2700 К. Значения слабо зависят от Р0 и для данного состава во всем диапазоне значешш Р0 составляют ~ 0,1см'1 .

■ Рнс.7

Для системы НИ-Не были проведены расчеты удельного энергосъема. В качестве характерного распределения приведем результаты расчета удельной выводимой лазерной энергии Е в зависимости от продольной координата сопла X (рнс. 7) при изменении температуры в диапазоне 2400-2900 К и фиксированной концентрации фтористого водорода Хнр = 5%. Зависимости Е приведены при следующих температурах: Т0 = 2400К(1), 2600 К(2), 2800 К(3), 2900 К(4). В соответствии с результатами расчета компонентного состава смеси кривые 1-3 получены при Р0=5 атм, а кривая 4 при Р0=Ю атм. Также было исследовано влияние концентрации НИ на Е. Получено, что оптимальная концентрация НР находится в области 3-5%.

Установлено, что максимум энергосъема (и 20 дж/г) по температуре находится в области 2600-2800 К/

З.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

Цель данной работы состояла в исследовании особенностей транспортировки сильноточных ионных пучков большого сечения, когда следует учитывать пространственную структуру пучка и механизмы, способные привести к ее трансформации в процессе транспортировки. Также рассматривался вопрос о лазерной нейтрализации пучков отрицательных ионов.

Рассмотрено влияние конечных размеров системы на процесс компенсации пространственного заряда пучка. Полученное выражение для времени компенсации вкшочает зависимость не только от параметров пучка и среды, через которую распространяется пучок,но также определяется механизмом взаимодействия ионов с поверхностью. Величина времени компенсации, оцененная по данной формулы, может отличаться от традиционной оценки. Данную зависимость следует использовать в пространственно ограниченных системах.

На примере протонного пучка показано, что возможно формирование пучка с неоднородным радиальным распределением плотности. Применительно к условиям эксперимента сформулирована простая модель, позволяющая провести сопоставление расчетных и экспериментальных результатов. В рамках этой модели параметрически исследовано влияние теплового разброса, собственного поля на структуру пучка в условиях эксперимента. Показано, что наблюдаемые в эксперименте особенности могут быть обусловлены начальной неоднородностью.

Исследованы механизмы формирования неоднородного распределения.'.Рассмотрено- использование функционала Ляпунова для - :"•■ V Г :. .. 13

исследования устойчивости неоднородной плазмы в низкочастотной области. Построен функционал в виде простой квадратичной интегральной формы. Исходя из вида функционала определяется допустимый характер неоднородности среды, при котором реализуются устойчивые колебания. В частности, устойчивым является произвольный параболический профиль. На основании данного рассмотрения можно сделать вывод о возможности транспортировки пучков с профилем достаточно произвольного вида.

Показано, что влияние ионизации нейтрального фона на колебания электронной компоненты проявляется в уменьшении со временем периода и амплитуды колебаний.

Предложена схема лазерного нейтрализатора отрицательных ионов на основе ГДЛ. Предложена достаточно простая методика оценки параметров пучка отрицательных ионов и нейтрализатора, требуемой степени нейтрализации и используемой оптически актив-нон среды в этой схеме. С помощью данной методики проведен анализ допустимого класса ГДЛ и отрицательных ионов. Наиболее перспективной системой для этих целей является НР-система.

Проведен предварительный анализ возможности построения нейтрализатора на основе активной среды. Н2 - НЕ- Не.

С целыо уточнения характеристик НЕ-ГДЛ была разработана кинетическая модель НР- лазера с тепловым возбуждением. В рамках этой модели получены результаты по колебательной кинетики систем Н2 - НР- Не в ангармоническом приближении в плоском сопле Лаваля быстрого расширения. Выявлены особенности релаксации указанных смесей в зависимости от начального Давления и состава смеси. Указаны допустимые пределы изменения параметров системы, на основе приведенных зависимостей можно подобрать оптимальные параметры, при которых целесообразно проводить экспериментальное обнаружение генерации. Показана возможность достижения достаточно высокого коэффициента усиления слабого сигнала на длине волны Х=3.22 мкм. Проведен расчет энергетических характеристик активной среды Нр-ГДЛ. Найдены оптимальные режимы работы, при которых достигается.энергосъем на уровне 20 Дж/г.

Данное значение близко величине, использованной для оценки эффективности нейтрализации. Таким образом, в рамках более точной модели подтвержден вывод о перспективности использования НР- системы для лазерной нейтрализации.

По теме диссертации опубликованы следующие печатные работы:

Х.КарШов А.Р., Постельников А.А. Теоретическое исследование особенностей неравновесной колебательной релаксации молекул фтористого водорода в плоском сопле Лаваля/ЯВТ. 1989.Т.27.N4. С.758.

2.Каримов А. Р. Энергетические характеристики оптически активной среды газодинамического лазера//ТВТ. 1993.T.31 .N5.C.821.

3.Бобров В.Л.,Казякин A.A.,Каримов А.Р.,Макаров Ю.В. О радиальной структуре ионных пучков//Письма в ЖТФ.1993.Т.19. N 5.С.52.

4 .Каримов А.Р., Постельников A.A. Лазерная нейтрализация отрицательных ионов// Письма в ЖТФ.1992.Т.18.Ш.С.50..

5.Каримов А.Р., Постельников A.A. Способ и устройство лазерного нейтрализатора. Авторское .свидетельство N 274093. 1988.

6.Бобров В.Л.,Каримов А.Р. Применение метода функции Ляпунова к исследованию устойчивости неоднородной плазмы// Математическое Моделирование. 1994.T.6.N3. С.47.

Подписано в пвчачъМОЗ.Щ Заказ W Тираж £(Ък. Типография 1Ш, Каширское шоссе, 31