Радиационностойкие управляемые стабилизаторы для плазменной энергетики

Грабовский, Артём Юрьевич

Радиационностойкие управляемые стабилизаторы для плазменной энергетики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Грабовский, Артём Юрьевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Радиационностойкие управляемые стабилизаторы для плазменной энергетики»

Автореферат диссертации на тему "Радиационностойкие управляемые стабилизаторы для плазменной энергетики"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

На правах рукописи

Грабовский Артём Юрьевич

РАДИАЦИОННОСТОЙКИЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Специальность 01.04.08 - Физика плазмы

005532335

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 9 дег 2013

Санкт-Петербург 2013

005532335

Работа выполнена на кафедре общей и технической физики Национального минерально-сырьевого университета «Горный»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор, Мустафаев Александр Сеит-Умерович

Официальные оппоненты: Иванов Владимир Александрович

доктор физико-математических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет

Защита диссертации состоится « 26 » сентября 2013 г. в 13 час. 00 мин. на заседании совета Д 212.232.45 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата, на соискание ученой степени доктора наук на базе Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Пегродворец, ул. Ульяновская, д.1, Малый конференц-зал физического факультета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М.Горького СПбГУ.

Автореферат разослан «2/» августа 2013 г.

Ученый секретарь совета Д 212.232.45 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата, на соискание ученой степени доктора наук на базе СПбГУ

Ярыгин Валерий Иванович

доктор технических наук, профессор, ФГУП «Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского»

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт электрофизики и электроэнергетики РАН

доктор физико-математических наук

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Фундаментальные исследования в области плазменной энергетики являются одним из важнейших направлений современной науки.

Современные требования космической ядерной энергетики ориентируют разработчиков на создание ядерных энергетических установок (ЯЭУ) с выходной электрической мощностью 100-500 кВт при удельной массе у <40 кг/кВт, обеспечивающих длительное электропитание модулей полезной нагрузки космических кораблей.

Для решения этих задач необходимы эффективные электронные приборы: термоэмиссионные преобразователи, инверторы, стабилизаторы тока и напряжения, трансформаторы, генераторы и др., имеющие удельную массу у < 1 кг/кВт, и надежно работающие внутри активной зоны реактора при поглощенной дозе излучения по нейтронам не ниже ~ 1012 см"2, по у - квантам - не ниже ~ 106 рад и при температуре не ниже ~ 1000 К.

В условиях высокого уровня радиации и температуры среды невозможна эксплуатация современной твердотельной электроники, некоторые элементы которой теряют свою эффективность уже при 600 К.

Экстремальным требованиям удовлетворяют радиационностойкие приборы на базе сильнонеравновесной анизотропной плазмы. Приборы такого типа доказали свою надежность бесперебойной работой в составе бортовой электроники комических кораблей «Плазма-А» и «УС-А» на которых были установлены ЯЭУ первого поколения «Топаз» и «Бук». Перспективы наземного использования таких приборов связаны с необходимостью создания систем аварийной защиты на атомных электростанциях и подводных лодках, а также с разработкой нового поколения автономных ЯЭУ электро- и теплоснабжения промышленных объектов топливно-энергетичекого комплекса [1].

Важнейшей кинетической характеристикой плазмы, определяющей протекание почти всех элементарных процессов, является функцня распределения электронов по скоростям (ФРЭС). Управление функцией распределения электронов позволяет непрерывно контролировать свойства плазмы и тем самым влиять на энергетические характеристики плазменных приборов [2, 3]. Очевидно, что решение таких задач невозможно без корректной регистрации ФРЭС.

Классические зондовые методы исследования разреженной плазмы, вошедшие в физику, начиная с работ Ленгмюра и Дрювестейна [4], и развитые выдающимися советскими физиками Каганом Ю.М. и Перелем В.И. [5] предполагали слабую асимметрию функции распределения электронов. Методов диагностики, позволяющих исследовать плазму с произвольной степенью анизотропии, практически не существовало, до тех пор, пока не был развит метод плоского одностороннего зонда [б].

На сегодняшний день зондовый метод остается единственным, позволяющим измерять локальные характеристики анизотропной плазмы.

Разработчикам плазменных приборов нового поколения приходится сталкиваться с тремя основными проблемами:

- необходимостью преодоления комплекса технических и технологических проблем при создании конкретных плазменных устройств, работающих в экстремальных условиях;

- недостаточной разработанностью (на кинетическом уровне) физических основ такой неравновесной среды, как анизотропная плазма;

- трудностью исследования анизотропной плазмы непосредственно в рабочих режимах приборов плазменной энергетики для оптимизации их энергетических характеристик и конструкций.

В связи с этим разработка радиационностойких управляемых приборов и экспериментальное исследование неравновесной анизотропной плазмы непосредственно в рабочих режимах этих приборов для оптимизации их электрокинетических характеристик является, несомненно, актуальной задачей.

Цель диссертационной работы

Разработать и создать макеты управляемых радиационностойких стабилизаторов, исследовать их электрокинетические характеристики для оптимизации энергетических параметров и конструкций.

Для достижения цели решен ряд научно-технических задач:

• Разработаны и созданы: измерительно-вычислительный комплекс для исследований анизотропной плазмы и экспериментальные макеты управляемых плазменных стабилизаторов.

• Создан метод исследования анизотропной плазмы цилиндрическими зондами. Метод экспериментально апробирован в рабочих условиях плазменных устройств.

• Исследованы кинетические характеристики плазмы диодных и триодных стабилизаторов тока и напряжения на базе низковольтного пучкового разряда (НПР) в инертных газах и оптимизированы их энергетические параметры.

• Исследованы условия возбуждения плазменных неустойчивостей в рабочих режимах стабилизаторов и разработан способ их подавления для обеспечения высокой стабильности энергетических параметров.

Научная новизна

Создан метод диагностики неравновесной анизотропной плазмы цилиндрическими зондами, позволяющий восстанавливать полную функцию распределения и регистрировать диаграммы направленного движения электронов в плазме с произвольной степенью анизотропии. Метод апробирован в плазме пучкового разряда стабилизаторов тока и напряжения, при этом получены следующие результаты:

1. Измерено пространственное распределение параметров плазмы, восстановлена полная функция распределения, построены полярные диаграммы направленного движения электронов разных энергий, исследованы длины релаксации импульса и энергии электронов в плазме стабилизаторов тока и напряжения.

2. Установлено, что с повышением давления потенциал горения разряда в диодном стабилизаторе напряжения устанавливается на значении потенциала возбуждения метастабильного уровня газа-наполнителя. Разработан способ стабилизации напряжения в диапазоне 0 - 50 В путем заполнения межэлектродного промежутка инертными газами с различными потенциалами ионизации и возбуждения. Показано, что ограничение плазменного канала экраном в форме конуса, с углом при основании, обеспечивающим свободную радиальную диффузию быстрых электронов, позволяет в 4 раза увеличить длину энергетической релаксации ФРЭС и в 2 раза увеличить плотность рабочего тока стабилизатора.

3. Исследованы электрокинетические характеристики плазменного триода. Впервые обнаружен режим горения НПР с контрагированным свечением и вольтамперными характеристиками (ВАХ), удовлетворяющими требованиям стабилизации тока и напряжения в условиях одного прибора. Предложен способ и создан макет регулируемого стабилизатора тока и напряжения в диапазоне параметров:_/стаб = (Ю-1 - 101), А/см ; {Лтаб= (0 - 70), В.

4. Разработан и реализован универсальный метод подавления плазменных неустойчивостей, обеспечивающий высокий уровень стабильности рабочих параметров макетов плазменных стабилизаторов тока и напряжения вплоть до плотности разрядного тока 5 А/см".

Практическая значимость результатов исследования

Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при разработке плазменных радиационностойких высокотемпературных приборов, способных работать при поглощенной дозе излучения по нейтронам не ниже ~ 101* см"2, по у - квантам -не ниже-106 рад и при температуре не ниже-1000 К. Применение таких приборов открывает новые возможности для:

- разработки космических термоэмиссионных ядерных энергетических установок нового поколения (ЯЭУ-100, Эльбрус-400/200 и др.) с выходной электрической

мощностью > 100 кВт и ресурсом а 10 лет;

- создания систем экологической аварийной защиты и контроля на атомных станциях, ядерных энергетических установках, подводных лодках, а также при добыче и переработке радиоактивных полезных ископаемых.

- управления и стабилизации тока и напряжения в низковольтных цепях объектов наземной энергетики;

- разработки нового поколения плазмохимических реакторов анизотропной плазмы.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Метод измерения анизотропных ФРЭС цилиндрическими зондами, состоящий в экспериментальном измерении четных компонентов функции распределения электронов по скоростям и последующем расчете нечетных компонентов путем решения кинетического уравнения Больцмана.

2. Способ стабилизации тока и напряжения, основанный на нелокальной природе функции распределения электронов в низковольтном пучковом разряде. Макет управляемого стабилизатора тока и напряжения.

3. Способ подавления плазменных неустойчивостей путем управления знаком дифференциального сопротивления анодной вольтамперной характеристики. Способ реализуется в устройстве, управляющий электрод которого вынесен из зоны основного разряда.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы апробированы на международных конференциях и форумах:

1. XL1X, L and LI International Conference of Young Researches, Novosibirsk, (2011, 2012, 2013).

2. International Forum-Competition of Young Researches «Topical Issues of Rational use of Natural Resources», Saint-Petersburg, (2011, 2012, 2013).

3. LXII International Forum of Young Researches, Freiberg, Germany, 2011.

4. XII Международная конференция "Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности", Санкт-Петербург, 2011 г.

5. XXXIX and XL International Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion, Zvenigorod, (2012,2013).

6. XXXIX IEEE International Conference on Plasma Science, Edinburgh, UK, 2012.

7. LIV Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics, Providence, Rhode Island, USA, 2012.

8. Всероссийская конференция-конкурс «Знания молодых физиков родине», Москва,

2012 г.

9. XL European Physical Society Conference on Plasma Physics, Espoo, Finland, 2013.

Личный вклад автора

Автор непосредственно участвовал в разработке и экспериментальной апробации метода исследования неравновесной анизотропной плазмы цилиндрическими зондами. При его непосредственном участии разработана программа исследований, созданы макеты плазменных стабилизаторов тока и напряжения и проведены экспериментальные исследования плазмы низковольтного пучкового разряда в их рабочих режимах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа включает 125 страниц текста, 89 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 168 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи, защищаемые положения, показаны научная новизна, практическая ценность, апробация работы и личный вклад автора.

В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертации. В первой части обзора рассматриваются работы, посвященные исследованию пучкового разряда в различных средах. Во второй части - кратко рассмотрен метод зондов, дан обзор основополагающих работ по зондовой диагностике анизотропной плазмы и освещено современное состояние вопроса. В заключительной части рассмотрены основные способы получения второй производной зондового тока по потенциалу зонда, их преимущества и недостатки.

□

Во второй главе приводится описание экспериментальной установки и конструкции макетов термоэмиссионных двух- и трехэлекгродных стабилизаторов тока и напряжения,

надежно работающих в экстремальных условиях высокого уровня радиации и температуры среды выше 1000 К. Рассмотрена электрическая система питания приборов, система стабилизации разрядных параметров и конструкция зондового узла. Приведены схемы зондовых и оптических измерений, обоснован выбор метода регистрации второй производной зондового тока по потенциалу зонда. Проанализирован У ——. ^ ^ ряд факторов, влияющих на точность зондовых О'- - -^ ■ ■ измерений, описаны способы их учета и коррекции.

—-- --— В качестве примера на рис. 1 приведена

принципиальная схема плазменного триода с сужением разрядного канала, который использован для изучения возможности одновременной стабилизации тока и напряжения. Прибор состоит из импрегннрованного термокатода 1 диаметром 10 мм и молибденового анода 2 диаметром 30 мм с центральным отверстием диаметром 2 мм. Анод установлен в 8 мм от катода параллельно и соосно с ним. Управляющий молибденовый электрод 3 диаметром 30 мм вынесен из зоны основного разряда и находится за анодом на расстоянии 1 мм. К катоду примыкает формирователь геометрии плазменного канала в виде металлического конусного экрана 9. Потенциал экрана совпадает с потенциалом катода. Для ввода зондов и наблюдения излучения разряда в экране сделаны узкая прорезь и окна, которые затягивались мелкоструктурной сеткой. Напряжения на анод и управляющий электрод подаются относительно катода от управляемого стабилизованного выпрямителя.

Температура катода измерялась вольфрам-рениевой микротермопарой, запрессованной в его торцевую полость на расстоянии 1 мм от поверхности, и регулировалась системой стабилизации в диапазоне 1000-2300 К с точностью ±10 К.

Рис. 1. Конструкция макета плазменного триода с сужением разрядного канала: 1 - катод; 2 - анод; 3 - управляющий электрод; 4 - нагреватель; 5 -тепловой экран; 6 - катодная микротермопара; 7 - зонд; 8 - охранные алундовые изоляторы; 9 - боковой проводящий экран

Экспериментальные приборы монтировались внутри вакуумной камеры. Для наблюдения свечения разряда предусмотрены два сапфировых окна. Плавный напуск и регулировка давления инертных газов в диапазоне 10"4 - 25 тор осуществлялись системой редукторов и игольчатого натекателя. Вакуум в системе создавался магниторазрядным насосом НОРД-250 и турбомолекулярным насосом ТМН-500. Термическая и вакуумная подготовка прибора обеспечили остаточное разрежение в рабочих условиях 10"9 тор.

Описаны конструкции зондов и зондового узла. Для измерения анизотропных ФРЭС использовались цилиндрические зонды, изготовленные из молибденовой проволоки диаметром 0,07 и длиной I мм и плоские односторонние зонды диаметром 0,5 мм. Зонд крепился на специальной трехкоординатной микрометрической системе, которая позволяла плавно изменять его ориентацию относительно оси разряда с точностью ±5". Смешение зонда вдоль оси разряда осуществлялось перемещением экспериментального прибора с точностью ±0,01 мм.

Обоснован выбор метода демодуляции для получения второй производной зондового тока по потенциалу зонда. В качестве дифференцирующего сигнала используется 100% модулированное напряжение Д{/ = £/0(1 + со5<у,Осо5а>21, где С/о=0,2 В, &>/=1 кГц, со?=100 кГц. Отдельно проверялась линейность схемы в широком диапазоне изменения амплитуды дифференцирующего сигнала.

Третья глава посвящена разработке метода измерения анизотропных ФРЭС в аксиально-симметричной плазме с использованием цилиндрического зонда.

На рис. 2 изображен зонд, произвольно ориентированный в аксиально-симметричной плазме. Направление оси симметрии плазмы в сферической системе координат характеризуется полярным и азимутальным углами в = ж! 2 и <р = 0, направление нормали некоторого элемента поверхности зонда углами вг и <р2=(Я±гг/2). Угол между указанными направлениями обозначим Ф0, и для него справедливо следующее соотношение:

совФ,, = 5т 02со$д>2. (1)

Представим ФРЭС /(с, в) и вторую производную зондового тока по потенциалу зонда (<?£/, Ф0) в виде разложения в ряды по полиномам Лежандра [6]:

со

= со50), (2)

у=0

= (3)

I" у.о

Используя соотношение для Ф0, проинтегрируем выражение (3) по поверхности 5 цилиндрического зонда:

/•(«?£/) = ьтЛ^. (4)

т у,0 \

Для цилиндрического зонда в силу его симметрии всегда можно найти два элемента, нормали к которым составляют угол 180 . Для полиномов Лежандра с нечетными индексами Рцч (С05ф0)= - /V, (С05(180°+ Фо)), поэтому в выражении (4) остаются компоненты только с четными индексами.

Рис. 2. Схема, поясняющая взаимное расположение зонда и оси симметрии плазмы

В этом случае четные члены разложения ФРЭС _/?; могут быть определены с помощью метода [6], позволяющего связать лежандровы компоненты ¡ЦдЦ, Ф0) и ФРЭС:

ГгЛчи) = Г2МЮ+ } ■ <5>

Уравнение (5) имеет вид интегрального уравнения Вольтерра II рода, методы решения которого хорошо известны [7]. Таким образом, цилиндрический зонд позволяет определять только чётные компоненты разложения ФРЭС, причем их число связано с числом независимых ориентации зонда.

В работе предложен метод определения нечетных компонентов путем совместного использования экспериментальных данных и решения кинетического уравнения Больцмана, которое для функции распределения электронов в электрическом поле имеет вид:

о/ Ы - еЕ 8/ ...

—+ — -у +---—+5=0, (6)

8/ & т 8У

где е,т- соответственно заряд и масса электрона; Е - напряженность электрического поля, Б - интеграл столкновений.

Подстановка разложения (2) в выражение (6) дает следующее уравнение для функций

/Д8]:

..... ,71

в котором интеграл столкновений учитывает доминирующую роль упругих электрон-атомных столкновений через частоту упругих соударений у'еа.

Полагая в (7) / = 1 имеем кинетическое уравнение, решение которого совместно с экспериментально измеренными компонентами/о»/2 позволяет восстановить компоненту}.-

8! 1& 5 82) т _8у 5у3 йИ

+^/.=о. (8)

Аналогично, полагая в уравнении (7) у = 3,5,7..... можно получить кинетические уравнения

для восстановления нечетных компонентов более высокого ранга.

Метод апробирован экспериментально в режиме НПР в интервале давлений 1,5 — 2,5 тор и разрядных токов 0,1 - 0,5 А. По измеренным значениям второй производной рассчитаны компоненты /о,/2,А Л, а/|,/з,/5 определены путем решения соответствующих кинетических уравнений. Результат определения /о - /в в виде энергетической зависимости представлен на рис. 3.

Построены полярные диаграммы направленного движения электронов и проанализирован их вид в зависимости от числа учитываемых компонентов функции распределения.

ю-83 6' 5

^ 4' О

1 ** 11

/1 1 h\l ГУ 1 \

/11 п. \\

V/ 26

Энергия электронов. »B

б ■

-6-1

Г\ ____ 1 \

1 /-. - 1 / V ///%- -л

///

Энсрп я тлектронов, ">В

Рис. 3. Энергетическая зависимость лежандровых компонентов функций распределения электронов по скоростям в плазме НПР (произвольные единицы) для группы медленных (а) и быстрых (б. в) электронов. />н. = 2,2 тор, /,, = 0,17 А, и. = 26 В, </ = 10 мм

На рис. 4 представлены полярные диаграммы, восстановленные с учетом 3, 5 и 7 компонентов fj.

—1>ч: —im* —

Рис. 4. Диаграммы направленного движения электронов, восстановленные с учетом 3 (красный), 5 (черный) и 7 (синий) компонентов. Разрядные условия на рнсунке слева: Рие =1,7 тор, /р = 0,2 А, е=25 эВ, z=21«, U, = 26 В, d= 10 мм, на рисунке справа: /'я* - тор, /р=0,25 А, е=26 эВ, z=2Io, i/. = 26 В, d= 10 мм

Реконструированный компонент f\ позволяет рассчитать величину плотности разрядного тока j и по совпадению экспериментального и расчётного значений j проверить точность метода. Получено хорошее согласие измеренной и расчётной величин, расхождение не превышало 10 %.

В четвертой главе представлены результаты исследований неравновесной плазмы НПР в инертных газах непосредственно в условиях плазменных диодных и триодных стабилизаторов тока и напряжения. Результаты получены с использованием разработанного метода диагностики анизотропной плазмы цилиндрическими зондами.

В разделе 4.1 представлены результаты зондовых измерений, из которых видно, что приложенное к электродам напряжение в основном падает в прикатодном слое (рис. 5, в).

Рис. 5. Распределение параметров плазмы в межэлектродном промежутке диодного стабилизатора напряжения при Рн, = 1,8 тор, = 6 мм, 7"„ = 0,1 эВ, • -У = 0,25 А/см2, о -j = 0,5 А/см2, а - концешрашш медленных п, и быстрых и0 электронов; б — средние значения энергии медленных ( ¿7/) и быстрых (£,) электронов; в -распределение потенциала в межэлектродном зазоре НИР Ф

Величина прикатодного скачка порядка потенциала ионизации инертного газа и для гелия составляет 25-27 В. У анода существует небольшой (порядка энергии тепловых электронов г,) задерживающий скачок потенциала.

Рис. 6. Фунюшя распределения электронов в плазме гелиевого НПР. Рн, =0,25 тор. 'р-0,1 А, {',-26 В. Л 6 мм

Показано, что анизотропия и неравновесность функции распределения электронов связаны с присутствием в плазме НПР двух слабовзаимодействующих групп электронов (рис. 6). Электроны, эмитгированные термокатодом, ускоряются на прикатодном скачке потенциала, в результате чего формируется практически моноэнергетичный пучок, пронизывающий разрядный промежуток. Появление группы медленных электронов связано с процессами возбуждения и ионизации атомов. Поскольку соответствующие потенциалы инертных газов весьма высоки (для гелия 1/^24,6 эВ, {/„=19,8 эВ), то неупругие процессы и токоперенос осуществляются только группой быстрых электронов. Образовавшиеся медленные электроны оказываются запертыми в потенциальной яме, формируемой катодным и анодным потенциальными барьерами.

Раздел 4.2 содержит результаты исследований и оптимизации электрокинетических параметров макетов плазменных диодных стабилизаторов напряжения. Экспериментально установлено, что с увеличением давления гелия выше 0,6 тор напряжение горения НПР практически перестает изменяться во всем исследуемом диапазоне тока от 0,02 до 4 А (рис. 7).

у. л 1 м" 1 |

6 / - / •

'/ г 1 / 1 / / /

41 1 / и. в

На рис. 8 показана оптимизация параметров плазменного диода, при которых осуществляется высокая степень стабилизации напряжения во всем исследуемом диапазоне плотности тока. Видно, что с ростом давления гелия потенциал горения разряда монотонно уменьшается, достигая вначале потенциала ионизации (7=1), а затем и потенциала возбуждения метастабильного уровня 235, (|/=0,8).

Экспериментально определен вид ФРЭС в инертных газах, рассчитаны частоты неупругих процессов и сделан вывод, о том, что при повышении давления, наряду с процессами прямой ионизации атомов газа, существенную роль начинают играть процессы ступенчатой ионизации, что и приводит к снижению потенциала горения НПР ниже {/¡от.

Предложен способ стабилизации напряжения в диапазоне 0-50 В, реализуемый путем заполнения межэлектродного промежутка инертными газами с различными потенциалами ионизации и возбуждения.

Эффективность способа иллюстрируется рис. 9, где представлена зависимость дифференциального сопротивления низковольтного пучкового разряда от давления гелия. Видно, что с ростом давления дифференциальное сопротивление падает и в рабочем диапазоне (Рн* > 0,6 тор) достигает значений меньших 0,05 Ом.

Обнаружено, что при низких давлениях рост плотности разрядного тока выше 1 А/см2 ведет к эффективной энергетической релаксации пучка быстрых электронов на ленгмюровских волнах [9].

С целью повышения рабочего тока диодного стабилизатора исследовано влияние геометрии боковой границы плазмы на длину энергетической релаксации электронов пучка и устойчивость электрических характеристик стабилизатора.

Рис. 7. Вольтамперные характеристики макета диодного стабилизатора напряжения в аномальном режиме горения разряда. />,/„ тор: 1- 0,2; 2 - 0,3; 3 -0,5;4 -0,6;5- 1;6 -2.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 Р. Тор

Рис. 8. Изменение безразмерного потенциала горения гелиевого НПР в зависимости от давления при разных значениях плотности разрядного тока ]р. А/см2:1 - 0,1; 2- 1; 3 -2; 4 - 4

Рис. 9. Зависимость дифференциального сопротивления НПР от давления гелия

Показано, что оптимальные условия обеспечивает конусный проводящий экран, с углом при основании, обеспечивающим свободную радиальную диффузию быстрых электронов. Такая геометрия плазменного канала при постоянном давлении газа дает возможность снизить концентрацию плазмы вдоль оси прибора в 4 раза, что увеличивает длину энергетической релаксации ФРЭС в 2 раза. Это позволяет увеличить плотность разрядного токас 1 до 2 А/см2 при давлениях 0,5 - 1,0 тор и напряжении стабилизации 0 -50 В.

В разделе 4.3. приведены результаты исследований электрокинетических параметров макета плазменного триода, с сужением разрядного канала, анод которого выполнен в виде диафрагмы с центральным отверстием и установлен между катодом и управляющим электродом (УЭ) (рис. 1). Экспериментально установлено существование двух режимов горения НПР - с диффузным и контрагированным свечением и соответствующими им вольтамперными характеристиками, удовлетворяющими требованиям стабилизации тока (рис.10, область II) и напряжения (область I).

В режиме с диффузным свечением (область I на рис. 10) распределение потенциала типично для низковольтного пучкового разряда - потенциальная яма с запертыми в ней медленными электронами. Ионизация атомов газа и токоперенос в промежутке катод-анод целиком осуществляются быстрыми электронами пучка.

Установлено что в этом режиме различное поведение групп быстрых и медленных электронов в зазорах плазменного триода позволяет с помощью третьего электрода непрерывно управлять током, напряжением и вкладываемой мощностью в зазоре катод-анод. Соответствующий коэффициент усиления по току достигает ~ 4, по напряжению ~ 5, по мощности — 20.

Экспериментально обнаружено, что равенство токов на анод и управляющий электрод создает условия для перехода разряда в режим с контрагированным свечением, характеризующийся тем, что в актах ионизации начинают участвовать медленные электроны плазмы. При этом в окрестностях отверстия анода формируется зона контракции в виде плазменной полусферы, в которой локализованы процессы ионизации газа. В режиме с контрагированным свечением исследована функция распределения электронов по скоростям и распределение параметров плазмы, сформулированы условия управления стабилизированным током.

Исследования показали, что в промежутке катод - анод распределение электронов по энергиям существенно не изменилось. По-прежнему в плазме имеются быстрые электроны, ускорившиеся на прикатодном потенциальном барьере и не испытавшие неупругих столкновений. Однако теперь энергии пучка недостаточно для возбуждения и ионизации атомов газа, что объясняет отсутствие свечения в основной части зазора.

Одновременно вне зоны контракции ток насыщения на анод обеспечивается исключительно быстрыми электронами без сопутствующей ионизации, т.к. распределение потенциала <р между катодом и анодом по-прежнему образует потенциальную яму (рис.11, кривая 1) с запертыми в ней медленными электронами.

Медленные электроны стекаются в зону контракции, где существует двойной слой и связанный с ним скачок потенциала &<р (рис.11, кривая 2), который ускоряет электроны до энергий, обеспечивающих локальную ионизацию газа в зоне. Образовавшиеся положительные ионы, диффундируя из зоны контракции, компенсируют объемный заряд быстрых электронов катода. В этих условиях ток анода можно рассматривать как не

Рис. 10. ВАХ плазменного триода при различных значениях тока на управляющий электрод. А: 1 - 0,02; 2 - 0,04; 3 -0,06; 4-0,08

Ф.1

Рис. П. Распределение потенциала <р между электродами для режима с контрагированным свечением; Рие ~ 2,5 тор; /„ = 0,6 А; = 0,04 А. 1 - распределение потенциала вдоль прямой, параллельной оси г разряда вне зоны контракции; 2 - распределение потенциала вдоль оси 2 в зоне контракции разряда.

зависящий от анодного напряжения {/а стабилизированный ток насыщения быстрых электронов /с.

На основании проведенных исследований предложен способ и создан макет управляемого стабилизатора тока и напряжения, обеспечивающий получение стабилизированного постоянного тока с регулируемой плотностьюУстаб - (Ю-1 - 101) А/см2 и напряжения 1/паб = (0 - 70) В. Уровень стабилизированного тока регулируется током на УЭ.

Обнаружено, что с ростом давления газа выше 1 тор (рис. 12, кривые 2,3) ВАХ триода приобретает отрицательный наклон, и на них появляются характерные участки отрицательного сопротивления, что и является причиной возбуждения колебаний разрядного тока и напряжения в этих режимах [10].

В диапазоне давлений гелия 1-2 тор колебания напряжения и тока разряда имеют сплошной спектр и амплитуда их не превышает 2 В. С ростом давления, в диапазоне 3-10 тор ВАХ становятся падающими, растут отрицательные значения дифференциального сопротивления Яд (рис. 12, кривая 3) и регистрируются колебания, практически полностью модулирующие разрядные ток и напряжение (рис. 13).

НшфЯЖС!

Рис. 12. ВАХ плазменного триода; Л 1г. тор: 1-0,6; 2-1; 3-4. Сплошные кривые-режим без отбора тока на УЭ. Пунктирные кривые-режим с отбором тока на УЭ при Рн. 1 тор и токах па УЭ: 4- 0,1 Л; 5-0,4 А. Кривая 6 соответствует Рн, 4 тор и току на УЭ 0,1 А.

Рис. 13. Колебания разрядного тока (сплошные кривые) и напряжения (пунктирные кривые) при давлении гелия 5 тор.

Экспериментально обнаружен способ подавления плазменных неустойчивостей такого типа путем отбора тока медленных электронов через отверстие анода на управляющий электрод. Как видно из рисунка 12 (кривые 4, 5 и 6), отбор тока приводит к смене знака дифференциального сопротивления с отрицательного на положительный. В этих режимах колебания тока и напряжения эффективно подавляются и исчезают полностью. Дальнейшее повышение тока на управляющий электрод приводит к росту положительных значений Яд.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

Создан метод диагностики неравновесной анизотропной плазмы цилиндрическими зондами, позволяющий восстанавливать полную функцию распределения и регистрировать диаграммы направленного движения электронов в плазме с произвольной степенью анизотропии. Метод апробирован в плазме низковольтного пучкового разряда стабилизаторов тока и напряжения, при этом получены следующие результаты:

1. Измерено пространственное распределение параметров, восстановлена полная функция распределения и построены полярные диаграммы направленного движения

электронов разных энергий, исследованы длины релаксации импульса и энергии электронов в плазме стабилизаторов тока и напряжения.

2. Установлено, что с повышением давления потенциал горения разряда в диодном стабилизаторе напряжения устанавливается на значении потенциала возбуждения метастабильного уровня газа-наполнителя. Разработан способ стабилизации напряжения в диапазоне 0-50 В путем заполнения межэлектродного промежутка инертными газами с различными потенциалами ионизации и возбуждения. Показано, что ограничение плазменного канала экраном в форме конуса, с углом при основании, обеспечивающим свободную радиальную диффузию быстрых электронов, позволяет в 4 раза увеличить длину энергетической релаксации ФРЭС и в 2 раза увеличить плотность тока стабилизатора.

3. Исследованы электрокинетические характеристики плазменного триода. Впервые обнаружен режим горения НПР с контрагированным свечением и вольтамперными характеристиками, удовлетворяющими требованиям стабилизации тока и напряжения в условиях одного прибора. Предложен способ и создан макет регулируемого стабилизатора тока и напряжения в диапазоне параметров:/стаб= (Ю~' - 101), А/см ; </стаб= (0-70), В.

4. Разработан и реализован новый универсальный метод подавления плазменных неустойчивостей, обеспечивающий высокий уровень стабильности рабочих параметров макетов плазменных стабилизаторов тока и напряжения вплоть до плотности разрядного тока 5 А/см2.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю работы, профессору Мустафаеву Александру Сеит - Умеровичу за постоянную помощь и поддержку. Автор также благодарен сотрудникам кафедры общей и технической физики Национального минерально-сырьевого университета «Горный», кафедры оптики Санкт-Петербургского государственного университета, а также Института электрофизики и электроэнергетики РАН, оказавшим содействие на различных стадиях выполнения диссертационной работы. Огромная благодарность моей жене за терпение и поддержку.

Литература

1. Лазаренко Г.Э., Ярыгин В.И., Пышко А.П. и др. Автономная ядерная энергетическая установка электро- и теплоснабжения прямого преобразования тепловой энергии в электричество // Труды международной научно-практической конференции «Малая энергетика - 2006», Москва, 2006. Т. 1. С. 68.

2. Demidov V.l., DeJoseph С.А., Kudryavtsev A.A. Anomalously High Near-Wall Sheath Potential Drop in a Plasma with Nonlocal Fast Electrons // Phys. Rev. Lett. 2005. Vol. 95, P. 215002.

3. Мустафаев A.C., Грабовский А.Ю. Плазменный управляемый стабилизатор тока и напряжения // Contr. pap. of the XXXIX International Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion, Zvenigorod, 2012. Vol.1. P. 150.

4. Mott-Smith H., Langmuir I. The theory of collectors in gaseous discharges // Phys. Rev. 1926. Vol. 28. P. 727-763.

5. Каган Ю.М., Перель В.И. Зондовые методы исследования плазмы // УФН. 1963. Т.81. С.409-452.

6. Лапшин В.Ф., Мустафаев A.C. Метод плоского одностороннего зонда для диагностики анизотропной плазмы // ЖТФ. 1989. Т. 59. № 2. С. 35-45.

7. Вольтерра В. Теория функционалов, интегральных и интегродифференциальных уравнений. М.: Наука, 1982.304 с.

8. Мустафаев A.C. Методы диагностики анизотропной плазмы в термоэмиссионных приборах электроэнергетики: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.01 / Мустафаев Александр Сеит-Умерович. - СПб., 2003. - 323 с.

9. Голант В.Е., Жилинский А.П., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат, 1977. 384 с.

10. Гаряннов С.А., Абезгуз И.Д. Полупроводниковые приборы с отрицательным сопротивлением. М.: Энергия, 1970. 320 с.

Публикации автора по теме диссертации

-В российских и зарубежных рецензируемых журналах:

1. Мустафаев А.С., Грабовский А.Ю. Зондовые исследования анизотропной плазмы: на пути к созданию нового поколения управляемых плазменных приборов // Физическое образование в вузах. 2012. Т. 18. №4. П30-П32.

2. Мустафаев А.С., Грабовский А.Ю. Метод измерения анизотропной функции распределения электронов по скоростям // Записки Горного института. 2012. Т. 196. С. 336341.

3. Мустафаев А.С., Грабовский А.Ю. Релаксация функции распределения электронов в распадающейся плазме инертных газов // Горный информационно-аналитический бюллютень. 2012. № 6. С.135-137.

4. Mustafaev A.S., Grabovskiy A.Y. Probe Diagnostic of an Anisotropic Distribution Function of Electrons in Plasma (review) // ISSN 0018-151X High Temperature. Pleades Publishing Ltd, Springier 2012. Vol. 50. №6. P.785-806.

Мустафаев A.C., Грабовский А.Ю. Зондовая диагностика анизотропной функции распределения электронов в плазме (обзор) // Теплофизика высоких температур. 2012. Т. 50. №6. С. 841-862.

5. Mustafaev A.S., Demidov V.I., Kaganovich I., Adams S.F., Koepke M.E., Grabovskiy A.Y. Control of current and voltage oscillations in a short dc discharge making use of external auxiliary electrode // Rev. Sci. Instrum. 2012. Vol. 83. № 10. P. 103502-103502-3.

-В трудах международных конференций:

1. Мустафаев А.С., Грабовский А.Ю. Исследование анизотропной плазмы цилиндрическими зондами // Contr. pap. of the XLIX International Conference of Young Researches, Novosibirsk, 2011. Vol. 1. P. 177.

2. Мустафаев A.C., Грабовский А.Ю. Энергетическая релаксация функции распределения электронов в распадающейся плазме инертных газов // Contr. pap. of the XLIX International Conference of Young Researches, Novosibirsk, 2011. Vol.1. P. 178.

3. Mustafaev A.S., Grabovskiy A.Y. Anisotropic plasma in plasma energetics devices // Contr. pap. of the LXII International Forum of Young Researches LXII, Freiberg, Germany, 2011. P. 288-295.

4. Мустафаев A.C., Грабовский А.Ю. Анизотропная плазма для решения проблем наноэлектроники и плазменной энергетики // Труды XII международной конференции "Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности". Санкт-Петербург, 2011. Т.1. С. 169-171.

5. Мустафаев А.С., Грабовский А.Ю. Плазменный управляемый стабилизатор тока и напряжения // Contr. pap. of the XXXIX International Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion, Zvenigorod, 2012. Vol.1. P. 150.

6. Мустафаев A.C., Грабовский А.Ю. Управляемый стабилизатор тока и напряжения на основе нелокальных плазменных технологий // Contr. pap. of the L International Conference of Young Researches, Novosibirsk, 2012. Vol. Solid State Physics and Electronics. P. 96.

7. Mustafaev A.S., Grabovskiy A.Y., Demidov V.I., Kaganovich I., Schweigert I.V. Nonlocal effects in beam generated plasmas for plasma electronics // Contr. pap. of the XXXIX IEEE International Conference on Plasma Science, Edinburgh, UK, July 2012. Vol. 1. P. 3P-109.

8. Mustafaev A.S., Grabovskiy A.Y., Demidov V.I., Kaganovich I. Control of plasma oscillations in a short dc discharge making use of external auxiliary electrode // Bulletin of the American Physical Society. 2012. Vol. 57. № 12. P. 388.

9. Мустафаев А.С., Грабовский А.Ю. Подавление колебаний тока и напряжения в плазме с нелокальной ионизацией // Contr. pap. of the XL International Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion, Zvenigorod, 2013. Vol.1. P. 161.

10. Мустафаев A.C., Грабовский А.Ю., Айнов M.A. Оптимизация параметров диодного плазменного стабилизатора напряжения // Contr. pap. of the XL International Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion, Zvenigorod, 2013. Vol.1. P. 162.

11. Мустафаев A.C., Грабовский А.Ю. Электрический зонд в анизотропной плазме: от фундаментальных исследований к прикладным // Contr. pap. of the LI International Conference of Young Researches, Novosibirsk, 2013. Vol. Physics ofContinuous Media. P. 75.

12. Грабовский А.Ю. Мустафаев A.C. Айнов M.A. Электрический зонд в анизотропной плазме: от фундаментальных исследований к прикладной плазменной энергетике // Contr. pap of the International Forum-Competition of Young Researches «Topical Issues of Rational use of Natural Resources», Saint-Petersburg, 2013. Vol.2. P. 265-266.

13. Mustafaev A.S., Grabovskiy A.Y., Demidov V.I. Noncontact Diagnostics Method of Anisotropic Plasmas // Contr. Pap. of the XL European Physical Society Conference on Plasma Physics, Espoo, Finland, 2013. Vol. 1. P. 03.307.

Подписано в печать 15.08.2013г. Формат А5, цифровая печать Тираж 100 шт.

Отпечатано в ЦОП «Копировальный Центр Василеостровский» Россия, Санкт-Петербург, В.О., 6-линия, д.29. тел. 702-80-90, факс: 328-61-84 e-mail: vs@copy.spb.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Грабовский, Артём Юрьевич, Санкт-Петербург

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

На правах рукописи

04201361903 Грабовский Артём Юрьевич

РАДИАЦИОННОСТОЙКИЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ ДЛЯ

ПЛАЗМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Специальность 01.04.08 - Физика плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор

МУСТАФАЕВ Александр Сеит-Умерович

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................................................................4

ГЛАВА 1 Обзор литературы по тематике диссертации...........................................12

1.1 Низковольтный пучковый разряд в приборах плазменной энергетики..................12

1.2 Зондовые методы исследования плазмы.........................................................17

1.3 Модуляция зондового тока..........................................................................23

Выводы к главе 1..........................................................................................29

ГЛАВА 2 Техника и методика эксперимента......................................................30

2.1 Экспериментальные приборы и установки.....................................................30

2.2 Конструкции зондов и зондовый узел...........................................................37

2.3 Метод измерения функции распределения электронов.......................................38

2.4 Схема оптических измерений.....................................................................41

2.5 Анализ факторов, влияющих на результаты зондовых измерений..........................42

Выводы к главе 2..........................................................................................47

ГЛАВА 3 Зондовый метод диагностики неравновесной анизотропной плазмы.............48

3.1 Метод диагностики анизотропной плазмы цилиндрическими зондами......................49

3.2 Экспериментальная проверка метода диагностики плазмы цилиндрическими

зондами.....................................................................................................56

Выводы к главе 3.........................................................................................66

ГЛАВА 4 Плазменные управляемые стабилизаторы тока и напряжения.....................67

4.1 Электрокинетические характеристики плазменного диода в режиме НПР в легких инертных газах............................................................................................67

4.2 Оптимизация параметров диодного плазменного стабилизатора напряжения.........72

4.3 Электрокинетические параметры плазменных триодных стабилизаторов тока и напряжения................................................................................................94

4.4 Подавление колебаний тока и напряжений в плазменных приборах с отрицательным сопротивлением.........................................................................................106

Выводы к главе 4.........................................................................................111

Заключение.................................................................................................112

Литература................................................................................................113

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Для решения этих задач необходимы эффективные электронные приборы: термоэмиссионпые преобразователи, инверторы, стабилизаторы тока и напряжения, трансформаторы, генераторы и др., имеющие удельную массу у < 1 кг/кВт, и надежно работающие внутри активной зоны реактора при поглощенной дозе излучения по нейтронам не ниже - Ю12 см"2, по у-квантам - не ниже - 106 рад и при температуре не ниже ~ 1000 К.

Важнейшей кинетической характеристикой плазмы, определяющей протекание почти всех элементарных процессов, является функция распределения электронов по скоростям (ФРЭС). Управление функцией распределения электронов позволяет непрерывно контролировать свойства плазмы и тем самым влиять на энергетические характеристики плазменных приборов [2, 3]. Очевидно, что решение таких задач невозможно без корректной регистрации ФРЭС.

Классические зоидовые методы исследования разреженной плазмы, вошедшие в физику, начиная с работ Лснгмюра и Дрювестейна [4], и развитые выдающимися советскими физиками Каганом Ю.М. и Перелем В.И. [5] предполагали слабую асимметрию функции распределения электронов. Методов диагностики, позволяющих исследовать плазму с произвольной степенью анизотропии, практически не существовало, до тех пор, пока не был развит метод плоского одностороннего зонда [6].

IIa сегодняшний день зопдовый метод остается единственным, позволяющим измерять локальные характеристики анизотропной плазмы.

Разработчикам плазменных приборов нового поколения приходится сталкиваться с тремя основными проблемами:

Цель диссертационной работы

Для достижения цели решен ряд научно-технических задач:

Научная новизна

2. Установлено, что с повышением давления потенциал горения разряда в диодном стабилизаторе напряжения устанавливается на значении потенциала возбуждения метастабильного уровня газа-наполнителя. Разработан способ стабилизации напряжения в диапазоне 0 - 50 В путем заполнения межэлектродного промежутка инертными газами с различными потенциалами ионизации и возбуждения. Показано, что ограничение плазменного канала экраном в форме конуса, с углом при основании, обеспечивающим свободную радиальную диффузию быстрых электронов, позволяет в 4 раза увеличить длину энергетической релаксации ФРЭ и в 2 раза увеличить плотность рабочего тока стабилизатора.

стабилизации тока и напряжения в условиях одного прибора. Предложен способ и создан макет регулируемого стабилизатора тока и напряжения в диапазоне параметров: Лтаб= (10"1 - 101), А/см2; истаб= (0 - 70), В.

Практическая значимость результатов исследования

Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при

разработке плазменных радиационностойких высокотемпературных приборов,

12 2

способных работать при поглощенной дозе излучения по нейтронам не ниже ~ 10 см' , по у - квантам - не ниже - 106 рад и при температуре не ниже - 1000 К. Применение таких приборов открывает новые возможности для:

мощностью > 100 кВт и ресурсом 10 лет;

- управления и стабилизации тока и напряжения в низковольтных цепях объектов наземной энергетики;

- разработки нового поколения плазмохимических реакторов анизотропной плазмы.

Научные положения, выносимые на защиту

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы апробированы на международных конференциях и форумах:

1. XLIX, L and LI International Conference of Young Researches, Novosibirsk, (2011, 2012, 2013).

2. International Forum-Competition of Young Researches «Topical Issues of Rational use of Natural Resources», Saint-Petersburg, (2011, 2012, 2013).

3. LXII International Forum of Young Researches, Freiberg, Germany, 2011.

5. XXXIX and XL International Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion, Zvenigorod, (2012, 2013).

6. XXXIX IEEE International Conference on Plasma Science, Edinburgh, UK, 2012.

7. LIV Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics, Providence, Rhode Island, USA, 2012.

8. Всероссийская конференция-конкурс «Знания молодых физиков родине», Москва, 2012 г.

9. XL European Physical Society Conference on Plasma Physics, Espoo, Finland, 2013.

Публикации автора по теме диссертации -В трудах международных конференций:

1. Мустафаев А.С., Грабовский АЛО. Исследование анизотропной плазмы цилиндрическими зондами // Contr. pap. of the XLIX International Conference of Young Researches, Novosibirsk, 2011. Vol.1. P. 177.

2. Мустафаев A.C., Грабовский A.IO. Энергетическая релаксация функции распределения электронов в распадающейся плазме инертных газов // Contr. pap. of the XLIX International Conference of Young Researches, Novosibirsk, 2011. Vol.1. P. 178.

3. Mustafaev A.S., Grabovskiy A.Y. Anisotropic plasma in plasma energetics devices // Contr. pap. of the LXII International Forum of Young Researches LXII, Freiberg, Germany, 2011. P. 288-295.

4. Мустафаев A.C., Грабовский A.IO. Анизотропная плазма для решения проблем паноэлектроники и плазменной энергетики // Труды XII международной конференции "Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности". Санкт-Петербург, 2011. Т.1. С. 169-171.

5. Мустафаев А.С., Грабовский АЛО. Плазменный управляемый стабилизатор тока и напряжения // Contr. pap. of the XXXIX International Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion, Zvenigorod, 2012. Vol.1. P. 150.

6. Мустафаев A.C., Грабовский A.IO. Управляемый стабилизатор тока и напряжения на основе нелокальных плазменных технологий // Contr. pap. of the L International Conference of Young Researches, Novosibirsk, 2012. Vol. Solid State Physics and Electronics. P. 96.

9. Мустафаев A.C., Грабовский A.IO. Подавление колебаний тока и напряжения в плазме с нелокальной ионизацией // Contr. pap. of the XL International Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion, Zvenigorod, 2013. Vol.1. P. 161.

10. Мустафаев A.C., Грабовский A.IO., Айнов M.A. Оптимизация параметров диодного плазменного стабилизатора напряжения // Contr. pap. of the XL International

Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion, Zvenigorod, 2013. Vol.1. P. 162.

-В российских и зарубежных рецензируемых журналах:

1. Мустафаев А.С., Грабовский А.Ю. Зопдовые исследования анизотропной плазмы: на пути к созданию нового поколения управляемых плазменных приборов // Физическое образование в вузах. 2012. Т. 18. №4. П30-Г132.

2. Мустафаев А.С., Грабовский А.Ю. Метод измерения анизотропной функции распределения электронов по скоростям // Записки Горного института. 2012. Т. 196. С. 336-341.

5. Mustafaev A.S., Demidov V.I., Kaganovich I., Adams S.F., Коерке M.E., Grabovskiy A.Y. Control of current and voltage oscillations in a short dc discharge making use of external auxiliary electrode // Rev. Sci. Instrum. 2012. Vol. 83. № 10. P. 103502-1035023.

Личный вклад автора

Структура и объем диссертации

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМАТИКЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой части обзора рассматриваются основные работы, посвященные исследованию пучкового разряда в различных средах. Во второй части главы кратко рассмотрен метод зондов, дан обзор основополагающих работ по зондовой диагностике анизотропной плазмы, и освещено современное состояние вопроса. В заключительной части рассмотрены основные способы получения второй производной зопдового тока по потенциалу зонда, их преимущества и недостатки.

1.1 Низковольтный пучковый разряд в приборах плазменной энергетики

В последние годы в плазменной энергетике активно развивается новое направление, связанное с созда