научный журнал по физике Физика плазмы ISSN: 0367-2921

ДЖАЛИЛОВ Н.С., КУЗНЕЦОВ В.Д. — 2013 г.

На основе 16-моментных МГД-уравнений, которые учитывают тепловые потоки в анизотропной бесстолкновительной плазме, рассмотрены свойства неустойчивостей. Для всех возникающих в МГД-приближении неустойчивостей (обычная несжимаемая шланговая неустойчивость, вторая сжимаемая почти продольная шланговая и почти поперечная зеркальная неустойчивость замедленных магнитозвуковых мод, а также тепловая неустойчивость, вызванная тепловым потоком вдоль магнитного поля) рассмотрены их аналоги в кинетическом приближении. Исследовано кинетическое дисперсионное уравнение в низкочастотном диапазоне вблизи тепловой скорости ионов. Учтено течение ионного компонента плазмы вдоль магнитного поля. Сравнения МГД и кинетических порогов и инкрементов неустойчивостей показали хорошее согласие двух подходов. Это дает основания считать, что 16-моментные МГД-уравнения с хорошей точностью могут описывать динамику бесстолкновительной плазмы.

ПРУДСКИХ В.В. — 2013 г.

В рамках холловской магнитной гидродинамики исследуется распространение низкочастотных электромагнитных волн вдоль магнитного поля в слабоионизованной плазме с примесью пылевых частиц. Найден явный вид коэффициентов диффузии магнитного поля в плазме. Обнаружено, что резонанс показателя преломления возможен для волн либо правой, либо левой поляризации. Получен количественный критерий, позволяющий ответить на вопрос, резонанс волн какой из поляризаций имеет место при заданных параметрах плазмы. Обсуждаются физический механизм резонанса и связь полученных результатов с известными ранее.

АКИШЕВ Ю.С., ГРУШИН М.Е., КОЧЕТОВ И.В., ТРУШКИН А.Н., ТРУШКИН Н.И. — 2013 г.

Представлены результаты экспериментальных исследований по разрушению толуола (C6H5CH3) в загрязненном воздушном потоке с помощью стационарного тлеющего разряда атмосферного давления при различном содержании паров воды в обрабатываемом газе. Проводится сравнение экспериментальных данных по степени удаления C6H5CH3 с результатами численного моделирования, выполненного в рамках разработанной кинетической модели плазмохимического разрушения толуола в газовой смеси N2 : O2 : H2O. Продемонстрировано существенное влияние влажности обрабатываемого газового потока на эффективность разложения толуола в тлеющем разряде атмосферного давления. Определены основные механизмы влияния влажности на процесс разрушения C6H5CH3. Установлено существование двух стадий в процессе очистки толуола, отличающихся длительностью и интенсивностью плазмохимических процессов разрушения C6H5CH3. На основе результатов численного моделирования анализируется состав продуктов плазмохимических реакций на выходе реактора в зависимости от удельного энерговклада и влажности обрабатываемого потока. Установлен каталитический цикл с участием гидроксильного радикала ОН в качестве катализатора, приводящий к значительному ускорению рекомбинации атомов кислорода и подавлению образования озона при наличии паров воды в составе плазмообразующего газа.

ВАСИЛЬКОВ Д.Г., ХОЛЬНОВ Ю.В., ЩЕПЕТОВ С.В. — 2013 г.

В некоторых случаях сдвиг фаз между флуктуациями скалярного потенциала электрического поля и плотности плазмы помогает идентифицировать неустойчивость, инициирующую турбулентное состояние. Поэтому в работе кратко изложены основные экспериментальные и теоретические факты, свидетельствующие о возможности (или невозможности) подобной идентификации. Представлены экспериментальные данные, основанные на измерении сдвига фаз между флуктуациями плавающего потенциала и ионного тока насыщения в системе с созданными извне магнитными поверхностями – стеллараторе Л-2М [Shchepetov S.V., Kholnov Yu.V., Fedyanin O.I. et al. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2008. V. 50. P. 045001]. Показано, что наблюдаемый сдвиг фаз имеет широкий диапазон значений от до 0, постепенно уменьшаясь при углублении в плазму. Приведен ряд аргументов в пользу утверждения, о том, что может указывать на нелокальность процесса, то есть того, что в данной точке пространства колебания являются вынужденными и определяются в основном процессами, локализованными вне точки наблюдения. Отмечено, что во всех изучавшихся случаях плазма заведомо неустойчива по отношению к резистивным перестановочным модам в рамках магнитогидродинамической теории. Продемонстрирован экспериментальный пример, показавший, что широко распространенное мнение о том, что сдвиг фаз /2 характерен лишь для резистивных перестановочных мод, вряд ли универсально. Данные эксперимента анализируются на основе аналитических оценок.

ЛОНДЕР Я.И., УЛЬЯНОВ К.Н. — 2013 г.

Решена задача определения величины анодного падения напряжения на слое объемного заряда в зависимости от плотности тока. Аналитические решения получены в широком диапазоне изменения отношения направленной скорости электронов в плазме v0 к их тепловой скорости vT. Показано, что в одномерной модели анодное падение для бесстолкновительного слоя всегда отрицательно, при малых значениях v0/vT полученное выражение асимптотически переходит в формулу Ленгмюра. Для электрических разрядов сформулирован обобщенный критерий Бома, учитывающий значения плотности объемного заряда , электрического поля E(0), скорости ионов vi(0) и отношения v0/vT на границе плазмы и слоя. Показано, что минимальное значение v (0) соответствует обращению электрического поля в одной точке внутри слоя в нуль. Зависимость v (0) от , E(0) и v0/vT определяет границу области существования стационарных решений в слое. С помощью полученного критерия для короткого сильноточного вакуумно-дугового разряда определена максимально возможная степень контракции электронного тока на аноде.

ДАНИЛОВ А.В., ДНЕСТРОВСКИЙ А.Ю., ДНЕСТРОВСКИЙ Ю.Н., ЛЫСЕНКО С.Е., ОНГЕНА ДЖ. — 2013 г.

Рассматриваются некоторые особенности скейлингов удержания энергии, построенных на материале различных экспериментальных баз данных для плазмы токамака. В многомашинной базе данных некоторые пары инженерных переменных коллинеарны (например, с увеличением размеров установки a возрастает ток I и вложенная мощность P). В результате скейлинг дает надежные предсказания лишь для тех импульсов, для которых отношения типа I/a2, P/a2 соответствуют средним отношениям по базе данных. Коллинеарность переменных позволяет также исключить из скейлинга такую переменную, как нормированный дебаевский радиус d* для случая, когда скейлинг представлен в безразмерных переменных. В одномашинной базе данных безразмерные переменные зависимы, и это также позволяет построить скейлинг без дебаевского радиуса. В двухмашинной базе данных коллинеарность переменных может отсутствовать, и, таким образом, дебаевский радиус из скейлинга удалить нельзя. Показано, что эксперименты, проведенные в поддержку отсутствия дебаевского радиуса в двухмашинном скейлинге, неубедительны. Приведенные в работе формулы перехода позволяют проводить эксперименты по определению скейлинга в любой системе независимых переменных.

МАЛИНИН А.Н., МАЛИНИНА А.А. — 2013 г.

Представлены результаты исследований оптических характеристик и параметров газоразрядной плазмы барьерного разряда на смеси паров дибромида ртути и неона, которая являлась рабочей средой эксиплексного газоразрядного излучателя, конструкция которого отличалась от коаксиальной. Установлены функции распределения электронов по энергиям, транспортные характеристики, удельные потери мощности разряда на электронные процессы, концентрация и температура электронов, а также константы скоростей процессов упругого и неупругого рассеяния электронов на компонентах рабочей смеси в зависимости от величины приведенной напряженности электрического поля. Константа скорости процесса, приводящего к образованию эксиплексных молекул монобромид ртути, составляет 1.6 ? 10-14 м3/c для приведенного электрического поля E/N = 15 Тд, при котором в условиях эксперимента наблюдалась максимальная яркость излучения в сине-зеленой спектральной области ( макс 502 нм).

АЛЕКСАНДРОВ В.В., ГРАБОВСКИЙ Е.В., ГРИЦУК А.Н., ЛАУХИН Я.Н., МЕДОВЩИКОВ С.Ф., МИТРОФАНОВ К.Н., ОЛЕЙНИК Г.М., ШЕВЕЛЬКО А.П. — 2013 г.

Приведены результаты экспериментальных исследований особенностей структуры сжатого состояния Z-пинча лайнеров типа пено-проволочных конструкций при токе до 3 МА. Пено-проволочная конструкция состояла из двух вложенных друг в друга полых цилиндрических лайнеров, один из которых представлял собой пенный лайнер, а другой – многопроволочную сборку. Пенный лайнер изготовлялся из малоплотной пены агар-агара в виде сплошного цилиндра или полой цилиндрической оболочки с толщиной стенки 100–200 мкм. Проанализированы изображения пинча и его спектра, полученные при помощи многокадровых рентгеновских камер и с использованием дифракционного спектрографа скользящего падения с пространственным разрешением. На финальной стадии сжатия лайнеров пено-проволочных конструкций получены данные о пространственной структуре излучающих областей и спектра Z-пинча в области мягкого рентгеновского излучения. Обнаружены режимы имплозии с формированием горячих областей при имплозии лайнеров такого типа. Измерены характерные масштабы горячих областей. Показано, что энергетическое распределение квантов в спектре мягкого рентгена в диапазоне от 80 эВ до 1 кэВ формирует пространственную структуру изображений при сжатии Z-пинча пено-проволочных конструкций. Обнаружено, что спектральная плотность мягкого рентгеновского излучения в диапазоне энергии квантов 300–600 эВ из горячих областей Z-пинча более чем на порядок превышает спектральную плотность излучения из соседних областей пинча. Из анализа пространственного распределения спектров мягкого рентгеновского излучения многозарядных ионов Z-пинча впервые зарегистрированы группы линий, обусловленные поглощением и испусканием излучения атомами и многозарядными ионами углерода и кислорода пенного лайнера во внешнем каскаде пено-проволочной конструкции. Идентифицированы группы линий поглощения ионов (C III, O III, O IV, O VI), соответствующие поглощению в спектре мягкого рентгеновского излучения Z-пинча вольфрамовой проволочной сборки, которая была внутренним каскадом лайнера пено-проволочной конструкции. Измеренная по зарядовому составу ионов углерода и кислорода электронная температура плазмы во внешнем пенном лайнере из агар-агара составила 10–40 эВ. При имплозии током до 3 МА лайнеров исследованных пенно-проволочных П-П-конструкций получены импульсы мягкого рентгена (с h > 100 эВ) при пиковой мощности 3 ТВт с длительностью 10 нс. Показано, что временной профиль мощности мягкого рентгеновского излучения можно контролировать, формируя как однопиковую, так и двухпиковую структуру за счет изменения параметров внешнего и внутреннего каскадов лайнера пено-проволочной конструкции.

КОРОНОВСКИЙ А.А., КУРКИН С.А., ХРАМОВ А.Е. — 2013 г.

Представлены результаты анализа условий и механизмов формирования виртуального катода в релятивистском и ультрарелятивистском электронных потоках с учетом собственных магнитных полей при различных величинах внешнего магнитного поля. Выявлено характерное поведение зависимостей критических токов релятивистских электронных потоков, при которых в пучке формируется колеблющийся виртуальный катод, от величины внешнего однородного магнитного поля и энергии электронов. Показано, что при малых внешних магнитных полях условия формирования виртуального катода определяются влиянием собственных магнитных полей релятивистского электронного потока. В частности, обнаружена неустойчивость электронного пучка в азимутальном направлении, обусловленная действием собственных магнитных полей пучка, которая приводит к уменьшению величины критического тока релятивистского электронного потока.

БОРИСЕНКО Н.Г., ДАРЕШВАР Л. ДЖ., МЕРКУЛЬЕВ Ю.А., МУНДА Д.С., ОРЕХОВ А.С., ПИМЕНОВ В.Г., ТРИПАТИ С., ЧАУРАСИЯ С., ШЕВЕЛЕВА Е.Е. — 2013 г.

Исследовались свойства микрогетерогенной плазмы с начала ее образования под воздействием на мишень из полимерного аэрогеля мощного (1014 Вт/см3) короткого (0.5 нс) греющего лазерного импульса с длиной волны 1.064 мкм. Обнаружено, что сквозь плазму, в которой еще не закончились процессы выравнивания плотности и температуры, проходит небольшая часть падающего лазерного излучения, даже при плотности мишени заметно выше критической. Наблюдаемая в такой плазме интенсификация (по отношению к плазме из более плотных пен и сплошных пленок) процессов тепломассопереноса в продольном и поперечном к лазерному лучу направлениях также может быть связана с исходной микрогетерогенностью твердой мишени. Замена небольшой (10% по массе) доли полимера на добавку из наночастиц меди приводит к почти двукратному увеличению интенсивности рентгеновского излучения из плазмы.

ВАГИН К.Ю., УРЮПИН С.А. — 2013 г.

Отражение пробного импульса плазмой, образованной при туннельной ионизации атомов в поле мощного импульса циркулярно поляризованного излучения, рассмотрено с использованием кинетического подхода к описанию движения электронов. Показано, что вследствие развития вейбелевской неустойчивости происходит значительное усиление отраженного импульса. Эффективность усиления определяется максимальным инкрементом неустойчивости, величина которого зависит от степени анизотропии функции распределения фотоэлектронов.

ПОТАНИН Е.П., УСТИНОВ А.Л. — 2013 г.

Выполнены расчеты параметров источника кальциевой плазмы на основе ЭЦР-разряда. Анализ проведен применительно к ИЦР-системе, предназначенной для разделения изотопов кальция. Нагрев электронов в источнике осуществляется микроволновым излучением гиротрона в зоне неоднородного магнитного поля. Предполагается, что в комбинированной ловушке реализуются условия, при которых энергию от СВЧ-поля необыкновенной волны, распространяющейся со стороны сильного поля, первоначально получает лишь небольшая группа резонансных электронов, в результате чего в плазме образуются две компоненты электронного газа, различающиеся лишь поперечной температурой: резонансная “горячая” и нерезонансная “холодная”. Продольные температуры обеих компонент считаются одинаковыми. Все пространство разряда разделяется на узкую зону электронного циклотронного резонанса, в которой происходит увеличение поперечной энергии резонансных электронов, и собственно область разряда, где протекают ионизационные явления. Поперечная энергия резонансных электронов рассчитывается по уравнениям движения электронов в неоднородном магнитном поле. На основе закона сохранения энергии и условия баланса числа “горячих” электронов, поступающих в зону разряда и выбывающих из категории “горячих” в результате ионизации и упругих столкновений, оценена концентрация “горячих” частиц и получена зависимость продольной температуры основной “холодной” составляющей электронов Te|| от доли энергии , теряемой на излучение.

ГРИГОРЬЕВА Л.И., КОЗУЛЯ М.М., КУЛАГА А.Е., ЛОЗИН А.В., ЛЫСОЙВАН А.И., МИРОНОВ Ю.К., МОИСЕЕНКО В.Е., ПАВЛИЧЕНКО Р.О., РОМАНОВ В.С., ЧЕРНЫШЕНКО В.Я., ЧЕЧКИН В.В. — 2013 г.

На установке торсатрон “Ураган-3М” отработан и успешно применяется метод очистки вакуумных поверхностей установки плазмой, со следующими основными параметрами: а) низкая электронная температура (порядка 10 эВ); б) достаточно высокая плотность плазмы (ne 1012 см-3). Чистящий разряд удобен тем, что его можно проводить, используя те же антенные устройства и ВЧ-генераторы, которые используются для создания и нагрева плазмы в рабочих режимах, причем без какой-либо перестройки частоты антенных и генераторных ВЧ-контуров. Разряд имеет достаточно хорошую эффективность с точки зрения очистки вакуумных поверхностей. После проведения цикла очистки низкотемпературной плазмой ВЧ-разряда (примерно 20 000 импульсов): а) существенно понижается интенсивность свечения примесной линии СIII; б) в рабочих разрядах достигается квазистационарный режим продолжительностью до 50 мс с плотностью плазмы ne 1012 см-3 и радиационной электронной температурой до Те 1 кэВ; в) при масс-спектральном анализе остаточного газа в камере наблюдается значительное уменьшение примесей.

МИРЗОЕВА И.К. — 2013 г.

По данным проекта RHESSI в мягкой компоненте рентгеновского излучения Солнца исследованы энергетический спектр временных профилей вспышек малой мощности и структура излучения теплового фона солнечной короны за январь–февраль 2003 г. Обнаружено падение интенсивности рентгеновского излучения солнечных событий и теплового фона короны в диапазоне энергий от 2 до 15 кэВ. Проведен сравнительный анализ данных проекта RHESSI с данными проекта “Интербол–Хвостовой зонд”. На основе полученных результатов предложен новый механизм нагрева солнечной короны.

2013

ГРИГОРЬЯН Г.М., КОЧЕТОВ И.В. — 2013 г.

Экспериментально исследовано образование карбонитридных пленок СхNy на стадиях тлеющего разряда и послесвечения в смесях CH4 и N2, и при разбавлении этих смесей аргоном и гелием. Получены зависимости скорости роста пленки от тока разряда и давления. Определен состав получаемых пленок (отношение N/C) и спектры поглощения в ИК-диапазоне. Измерение спектров поглощения позволило идентифицировать различные связи между атомами С и N. Впервые для карбонитридных пленок предложен метод осаждения на стадии “двойного” послесвечения, при использовании которого заметно возрастает скорость ее роста. Обсуждаются возможные механизмы образования и разрушения карбонитридных пленок на стадиях разряда и послесвечения.

БАТАНОВ Г.М., БЕРЕЖЕЦКАЯ Н.К., БОРЗОСЕКОВ В.Д., ИСХАКОВА Л.Д., КОЛИК Л.В., КОНЧЕКОВ Е.М., ЛЕТУНОВ А.А., МАЛАХОВ Д.В., МИЛОВИЧ Ф.О., ОБРАЗЦОВА Е.А., ОБРАЗЦОВА Е.Д., ПЕТРОВ А.Е., САРКСЯН К.А., СКВОРЦОВА Н.Н., СТЕПАХИН В.Д., ХАРЧЕВ Н.К. — 2013 г.

Рассматривается синтез нано- и микрокристаллов диборида титана и нитрида бора с помощью импульсного разряда в смеси порошков Ti–B в атмосфере азота. Для этого был использован реактор новой конструкции со свободной поверхностью порошковой смеси, позволяющий свободный разлет продуктов реакции в объем реактора и их осаждение на стенках реактора. Были изучены условия синтеза соединений TiB2 и BN в зависимости от энерговклада в разряды, от соотношения концентрации компонент при различных скоростях протекания азота через реактор, а также структура и фазовый состав соединений, напыленных на стенки реактора. Установлен синтез нитрида бора и диборида титана в кристаллических структурах. Важную роль в процессе синтеза играют разогрев смеси за счет реакции синтеза диборида титана, ее протекания в объеме реактора, а также концентрация титана в порошковой смеси. Обнаружено также, что по мере увеличения числа разрядов в объеме реактора формируется пылевое облако, свечение которого подтверждает, что инициируемый разряд протекает не только на поверхности и в объеме порошка, но и захватывает объем реактора.

ДРЕВЛАК М., МИХАЙЛОВ М.И., НЮРЕНБЕРГ Ю. — 2013 г.

Определено вакуумное магнитное поле квази-изодинамического стелларатора, для которого существуют МГД-равновесия со свободной границей с почти неизменной структурой островов в вакуумной области, окружающей граничную магнитную поверхность, при значениях относительного давления плазмы, , вплоть до 0.07.

БАТАНОВ Г.М., БОРЗОСЕКОВ В.Д., КОВРИЖНЫХ Л.М., КОЛИК Л.В., КОНЧЕКОВ Е.М., МАЛАХОВ Д.В., ПЕТРОВ А.Е., САРКСЯН К.А., СКВОРЦОВА Н.Н., СТЕПАХИН В.Д., ХАРЧЕВ Н.К. — 2013 г.

Изучено рассеяние назад ( = ) излучения гиротрона на коротковолновых флуктуациях плотности (k = 30 см-1) в плазме стелларатора Л-2М при электронно-циклотронном нагреве на второй гармонике гирочастоты электронов (75 ГГц). Анализировалось рассеяние О-волны, возникавшей при расщеплении линейно поляризованного излучения гиротрона на Х- и О-волны. При гомодинном детектировании рассеянный сигнал рассматривался как результат интерференции опорного сигнала, квазипостоянной составляющей и быстро осциллирующей компоненты рассеянного излучения. Дана оценка коэффициентов отражения для квазипостоянной R (Y) и быстро осциллирующей R (Y) компонент рассеянного излучения. Показано, что рост R (Y) от 3.7 ? 10-4 до 5.2 ? 10-4 с ростом мощности электронно-циклотронного нагрева от 190 кВт до 430 кВт коррелирует с падением энергетического времени жизни от 1.9 мс до 1.46 мс. Оценка величины коротковолновых флуктуаций плотности дала значение n n = 3 ? 10-7. Показано, что энергия флуктуаций сосредоточена в диапазоне частот 10... 150 кГц, а регистрируемые коротковолновые флуктуации можно характеризовать как структурную турбулентность с содержанием в структурах 10 энергии флуктуаций. Моделирование процессов переноса показало, что неоклассические потоки тепла малы по сравнению с аномальными потоками. Сделано предположение о решающей роли коротковолновой турбулентности в аномальном переносе тепла.

ГУРАШВИЛИ В.А., ДЯТКО Н.А., КОЧЕТОВ И.В., НАПАРТОВИЧ А.П., СПИЦЫН Д.И., ТАРАН М.Д. — 2013 г.

В приближении квазинейтральности плазмы рассчитаны двумерные пространственные распределения электрического поля и плотности тока несамостоятельного разряда, контролируемого пучком быстрых электронов. Расчеты выполнены для газоразрядной камеры с электродной (антистримерной) решеткой, расположенной параллельно выводному окну устройства ионизации. Рассчитана величина падения напряжения у поверхности решетки, возникающего из-за неоднородного пространственного распределения плотности тока. Определена доля разрядного тока, затекающего через решетку на фольгу, которая разделяет вакуумный объем устройства ионизации и газоразрядную камеру. Исследована зависимость расчетных величин от геометрических параметров электродной решетки и ее расположения по отношению к выводному окну устройства ионизации.