научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА ПРИ ТОКЕ ПУЧКА, ПРЕВЫШАЮЩЕМ ПРЕДЕЛЬНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ТОК Физика

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА ПРИ ТОКЕ ПУЧКА, ПРЕВЫШАЮЩЕМ ПРЕДЕЛЬНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ТОК»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 5, с. 676-682

УДК 533.922

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА ПРИ ТОКЕ ПУЧКА, ПРЕВЫШАЮЩЕМ ПРЕДЕЛЬНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ТОК

© 2004 г. А. Е. Дубинов

Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт

экспериментальной физики, г. Саров Поступила в редакцию 19.08.2003 г.

Представлены результаты моделирования пространственно-временной динамики пучково-плаз-менного разряда при токе пучка, превышающем предельный вакуумный ток. Обнаружено, что процесс развития разряда проходит три характерные стадии: неподвижного виртуального катода (ВК), двигающегося поступательно ВК и обычного пучково-плазменного разряда. Обнаружено также, что во второй стадии ансамбль ионов делится на две части - ионы плазмы и ионы, захваченные в коллективное ускорение движущимся ВК.

ВВЕДЕНИЕ

Если в эквипотенциальную вакуумную камеру инжектировать электронный пучок, то, начиная с некоторого предельного значения силы тока, пространственный заряд пучка будет формировать в полости потенциальный барьер, ограничивающий дальнейшее поступление электронов в камеру. При этом некоторая часть пучка будет тормозиться и поворачивать назад, к месту своей инжекции. Место остановки и разворота электронов получило название "виртуального катода", а процесс его формирования в вакууме - "бурсиа-новской неустойчивости". Пучки с силой тока, превышающей предельный вакуумный ток, т.е. пучки с ВК, получили широкое применение в сильноточной электронике для СВЧ- и рентгеновской генерации,коллективного ускорения ионов и др. [1, 2].

При инжекции такого пучка в эквипотенциальную камеру, наполненную газом, вблизи ВК зажигается особая разновидность пучково-плазменного разряда, имеющего ряд уникальных свойств. Действительно, плотность электронов вблизи ВК достигает максимальных значений, существенно больших, чем при поперечной фокусировке пучка, а энергия электронов мала и может быть близка к значению, соответствующему максимуму сечений возбуждения и ионизации. Вблизи стенок камеры энергия электронов равна энергии их инжекции, и ионизация здесь малоэффективна. Таким образом, пучково-плазменный разряд в рассматриваемых условиях оказывается практически оторванным от стенок камеры, т.е. является безэлектродным (по крайней мере, на начальных стадиях процесса), а энергия пучка выделяется лишь в малой области вблизи ВК. Согласно предложению [3] такой пучково-плазменный разряд с ВК может най-

ти применение, например, для накачки лазеров и позволит продвинуться в лазерной генерации в дальний УФ-диапазон.

Постановка задачи и метод решения. Цель данной работы - изучение пространственно-временной динамики развития разряда указанного типа. Для этого проведено численное моделирование методом крупных частиц с использованием 2й-мерной версии известного кода "КАРАТ" [4], представляющего собой универсальное средство вычислительного эксперимента для решения большого круга задач электро- и плазмодинамики. Код самосогласованно решает уравнения Максвелла

_ 4 к. 1ЭЕ го1 В = — 1 + —--,

с с йг

1ЭВ

го1 Е = —--—

с дг

с граничными условиями на идеально проводящей поверхности

[Еп] = 0, (Вп) = 0

при помощи явных консервативных по энергии разностных схем с перешагиванием на сдвинутых сетках, имеющих второй порядок точности по координатам и времени, и релятивистские уравнения движения частиц

йр

йг

= Ч\ Е +

методом Рунге-Кутта второго порядка точности, а также вычисляет мгновенное пространственное распределение зарядов и токов методом частиц в ячейке. Разностные схемы вычислительной процедуры и доказательство их консервативности приведены в [4]. Точность расчетов контролиро-

валась по выполнению энергетического баланса ансамблей частиц и электромагнитного поля. Код многократно тестировался и использовался ранее при моделировании различных задач, в том числе и газового разряда (например, в работе [5]).

Область моделирования представляла собой прямоугольную камеру размерами 20 х 10 см, ограниченную эквипотенциальными проводящими стенками. В этой области выстраивалась расчетная сетка 120 х 80, шаг интегрирования по времени выбирался в соответствии с известным условием Куранта. Считалось, что камера помещена в продольное (вдоль длинной стенки камеры) однородное магнитное поле 10 кГс, а внутри камеры находится холодный одноатомный модельный газ с заданной концентрацией атомов (1-10) х 1016 см-3 и массой атома, соответствующей массе протона. Атомы газа могут быть однократно ионизованы. Акты ионизации электронным ударом моделировались методом Монте-Карло в соответствии с модельной зависимостью сечения ионизации от энергии электрона (задавался порог ионизации, максимум сечения и борновский спад сечения при больших энергиях).

В начальный момент времени с одного из торцов камеры вдоль силовых линий магнитного поля начинал инжектироваться моноэнергетический электронный пучок с постоянным по времени током. Расчеты позволяли отслеживать пространственно-временную динамику ансамблей частиц всех сортов (электроны пучка и вторичные электроны, возникающие в результате ионизации, считались частицами разного сорта), мгновенное распределение частиц и полей, фазовые портреты и многое другое.

Результаты расчетов. Ниже в качестве примера приведены результаты расчетов динамики пучка в газе с учетом его ионизации при следующих параметрах: концентрация атомов газа - 4 х 1016 см-3, ширина пучка электронов - 4 см, энергия электронов в пучке в плоскости инжекции - 500 кэВ, погонная плотность тока пучка на единицу поперечной длины - 2 кА/см.

Было установлено, что процесс развития разряда состоит из трех характерных стадий. Первая стадия начинается, когда в пучке уже сформировался ВК, а пролетные электроны достигли противоположной стенки камеры. После формирования ВК в газе наблюдается развитие интенсивной ионизации газа. До этого момента (при указанных параметрах задачи - до исхода 1 нс с момента начала инжекции) ионизация практически отсутствует. На первой стадии разряда ВК в среднем неподвижен и ионизация идет только вблизи него.

В момент времени ~7 нс количество ионизованных ионов становится таковым, что ВК насыщается ионами газа, происходит его зарядовая нейтрализация и смещение по направлению дви-

N 1013 см

4

2

0

5

10

15 г, нс

Рис. 1. Временная динамика накопления частиц в области моделирования: 1 - электроны пучка, 2 - вторичные электроны, 3 - ионы.

жения пролетных электронов. С этого момента начинается вторая стадия разряда. В новом положении ВК также имеют место ионизация газа и дальнейшее смещение ВК, чем обеспечивается его поступательное движение, а также возможный захват части ионов газа в режим ускорения. ВК пробегает вдоль всей камеры, оставляя за собой плазменный столб.

Рис. 1 демонстрирует лавинообразное формирование разряда, когда общее количество ионов и вторичных электронов, возникающих в результате ионизации газа, растет экспоненциально. Хорошо видно, что лавина возникает не сразу, а примерно с момента времени 7 нс, когда начинается направленное движение ВК.

Динамика второй стадии разряда иллюстрируется серией мгновенных фазовых портретов электронного пучка (без вторичных электронов), приведенных на рис. 2. Скорость поступательного движения ВК в данном примере составляет 1.5 см/нс, она увеличивается с ростом давления газа.

На рис. 3 представлены мгновенные фазовые портреты электронного пучка, ансамбля вторичных электронов и ансамбля ионов в момент времени 16 нс. Хорошо видно, что фазовые пространства электронов пучка и вторичных электронов практически не пересекаются, а ионный ансамбль делится на две части: неподвижные ионы, локализованные там же, где и вторичные электроны, и ускоренные в обе стороны ионы, имеющие в области ВК максимальную энергию. Считается, что эти ионы вовлекаются в коллективное ускорение ионов [2]. Таким образом, ионы разделяются на две группы: одни образуют плазму, а другие -квазипучки.

Степень ионизации газа можно оценить из мгновенных пространственных распределений концентрации электронов пучка, вторичных электронов и ионов. Эти распределения для момента времени

-2

1 1 1 (а)

ч V, ,.■•■' ....

- -

V

| 1 | -

1 1 .. (б)

-

1 1 1

о

0

-2

-2

10

г, см

(в)

15

20

Рис. 2. Серия мгновенных фазовых портретов электронного пучка в различные моменты времени, демонстрирующая направленное движение ВК на второй стадии разряда: (а) - в момент времени 7 нс, (б) - 12 нс, (в) - 17 нс.

2

0

2

2

0

0

5

0.10 0.05

I 0

а,

-0.05 -0.10

(в)

0

5

15

20

10

г, см

Рис. 3. Мгновенные фазовые портреты ансамблей частиц в момент времени 16 нс: (а) - электронов пучка, (б) - вторичных электронов, (в) - ионов.

16 нс показаны на рис. 4. Из рис. 4 следует, что максимальная концентрация плазмы в 2-3 раза превышает концентрацию электронов пучка и составляет примерно 2 х 1013 см-3, что соответству-

ет степени ионизации 0.5 х 10-3. Это значение является очень хорошим показателем для некоторых типов газоразрядных лазеров с накачкой электронным пучком.

К моменту времени 20 нс ВК достигает противоположной стенки камеры и поглощается ею, а спустя еще 1 нс исчезает отраженная от ВК часть пучка. С этого момента разряд переходит в третью стадию - обычный пучково-плазменный разряд,

который сопровождается возникновением плаз-менно-пучковой неустойчивости, возбуждением интенсивных ленгмюровских колебаний в ансамбле вторичных электронов (рис. 5) и последующим возникновением нового ВК, теперь уже в ре-

-2

-2

10

г, см

15

20

Рис. 5. Мгновенные фазовые портреты ансамблей частиц в момент времени 20 нс: (а) - электронов пучка, (б) - вторичных электронов.

зультате не бурсиановской, а пирсовской неустойчивости.

Если снизить на два порядка концентрацию атомов газа, т.е. использовать газ при давлении 10-2 Тор, то возможно достижение лазерной генерации в дальнем УФ-диапазоне. В таких условиях разряд будет долгое время оставаться безэлектродным и не переходящим в третью стадию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение пучково-плазменного разряда с пучком с ВК представляет инетерес не только

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком