ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 1, с. 90-95
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 537.525
СЕПАРАЦИЯ "ТЯЖЕЛОЙ" И "ЛЕГКОЙ" ИОННЫХ КОМПОНЕНТ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА В КРИВОЛИНЕЙНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ © 2014 г. В. Л. Паперный, Н. В. Лебедев*
Иркутский государственный университет, Иркутск, Россия * Иркутский государственный технический университет, Иркутск, Россия e-mail: paperny@math.isu.runnet.ru Поступила в редакцию 27.04.2013 г. Окончательный вариант получен 03.07.2013 г.
Исследовано движение струи металлической плазмы, генерированной композитным катодом (У и Бе) импульсного вакуумно-дугового разряда, в транспортирующей системе на основе криволинейного магнитного поля. На выходе системы наблюдалось пространственное разделение ионов элементов материала катода: ионы легкого элемента (Бе) концентрировались на внутренней части отклоненной магнитным полем катодной плазменной струи. Также наблюдалось отклонение струи в направлении бинормали к магнитным силовым линиям, обусловленное дрейфом плазмы в скрещенных магнитном и электрическом полях. Степень масс-сепарации элементов увеличивалась по мере перемещения струи в направлении бинормали, так что ее максимальная величина достигала почти 45, эффективная — 7.7.
БОТ: 10.7868/80367292113120081
Вакуумно-дуговые источники металлической плазмы, снабженные транспортирующей системой на основе криволинейного магнитного поля, широко используются для различных технологических задач [1]. Ранее авторами было предложено использовать подобную систему для масс-се-парации ионов многокомпонентного плазменного потока и показано экспериментально, что на выходе системы наблюдается концентрация ионов с большей массой во внешней части искривленного потока, имеющей максимальный радиус кривизны [2—4]. Так, для плазменного потока, содержащего ионы элементов с близкими значениями атомной массы: Сг (тСг = 52 а.е.м) и N1 (т№ = 59 а.е.м) относительное содержание первого элемента во внешней части потока было на 18% меньше, чем во внутренней части, а содержание второго элемента — на 20% больше [3, 4]. Представляет интерес провести аналогичные исследования для плазменного потока, содержащего две группы ионов, значительно отличающиеся по массе: тяжелые и легкие. Целью такого исследования является выяснение принципиальной возможности использования данной системы в качестве элемента технологической цепочки для плазменной переработки отработанного ядерного топлива, состоящего из групп элементов с существенно различающимися атомными массами [5].
Эксперименты проводились в модифицированной вакуумно-дуговой установке, аналогич-
ной описанной ранее [2—4]. Схема установки приведена на рис. 1. Разряд инициировался на передней торцевой поверхности цилиндрического катода диаметром 8 мм и длиной 20 мм, хвостовая часть которого охлаждалась водой. Катод был изготовлен из модельного (т.е. содержащего тяжелую и легкую компоненты) композитного материала, в качестве которого был выбран твердый раствор W (ту = 184 а.е.м) в Бе (тРе = 56 а.е.м), массовое содержание которых составляло около 18% и 77%, соответственно, приблизительно, 5% составляли примеси. Инициация разряда осуществлялась путем высоковольтного пробоя между поджигающим электродом и катодом по поверхности керамической вставки. Рабочая поверхность катода располагалась в плоскости анода, изготовленного в виде кольца с внутренним диаметром 60 мм, соединенного с рабочей камерой. Остаточное давление в камере было не выше 2 х 10-3 Па.
В отличие от предыдущих экспериментов, в данном случае использовался импульсный тип вакуумно-дугового разряда: форма токового импульса, поддерживаемого формирующей ЬС-ли-нией, была близка к прямоугольной, длительность импульса составляла 100 мкс, амплитуда около 1200 А, частота следования 30 Гц.
Струя металлической плазмы, генерируемой на поверхности катода, проходила через кольцевой анод и затем двигалась вдоль силовых линий магнитного поля магнитной транспортирующей
системы. Магнитное поле формировалось системой соленоидов, три из которых (1, 2, 3 на рис. 1) были коаксиальны, а ось соленоидов 4 была перпендикулярна оси первых. Соленоиды 1 и 2 использовались для стабилизации и удержания катодного пятна на рабочей поверхности катода, соленоид 3 служил для управления движением катодной струи. Соленоиды 4 были включены навстречу друг другу, и служили для дополнительного, независимым образом регулируемого, отклонения катодной струи в рабочей камере. В данной серии экспериментов магнитная система была модифицирована: был введен дополнительный соленоид 5. Геометрические и электрические параметры соленоидов (см. рис. 1а): внешний (В) и внутренний (?) диаметры, длина (Ь), число витков (п), а также значения тока в эксперименте, приведены в таблице. Карта силовых линий магнитного поля рассчитывалась на компьютере, расчетные данные сопоставлялись с результатами измерений поля в контрольных точках, при этом различие не превышало 15%.
В силу конструктивных особенностей установки, ось катода была смещена относительно общей оси соленоидов 1, 2, 3 на величину = 30 мм (рис. 1б). Вследствие этого, проходящие через рабочую поверхность катода силовые линии магнитного поля, оказывались искривленными в положительном направлении оси Z, так что в плоскости А—А, где регистрировались параметры катодной струи, силовые линии были направлены под углом, близким 90° к первоначальному направлению (рис. 1а). Двигаясь вдоль этих силовых линий, подобным образом отклонялась катодная плазменная струя. В данной геометрии магнитной системы величина поля существенно изменяется при движении плазмы от катода к области регистрации. Расчеты показали, что для используемых токов соленоидов величина полного магнитного поля на силовой линии, проходящей через ось катода (показана пунктиром на рис. 1а), вблизи него составляет около 20 мТ, в плоскости А—А эта величина лежит в диапазоне 2—3 мТ. Отсюда, полагая, что характерное значение температуры электронов в вакуумно-дуговом разряде не превышает 5 эВ [6], можно оценить ларморов-ский радиус электронов ге на входе и выходе транспортирующей системы (т.е. в плоскости А—А), которая составляет 0.2 мм и 2 мм, соответственно. Учитывая, что диаметр струи в области катода близок к диаметру катода, а в сечении А—А он составляет более 5 см, можно полагать, что условие ге < с удовлетворительной точностью выполняется вдоль всей силовой трубки. При этом для ионов выполняется обратное неравенство г > .
(а)
анод Ь
В
100 мм
I_I
(б)
А
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: а — вид сверху, б — вид спереди. Соленоиды магнитного поля обозначены цифрами 1—5. На рис. 1б не показан кольцевой анод, на рис. 1а и 1б не показан поджигающий электрод.
Оценим теперь время электрон-ионных столкновений те/ в плазменной струе. Известно, что плазма вакуумно-дугового разряда генерируется в катодных пятнах на поверхности катода, откуда эмитируется в вакуум в виде микроструй [7]. Плотность плазмы вблизи катодного пятна велика, и резко падает при расширении микроструи в вакуум. При токах разряда порядка десятков ампер и выше, микроструи на расстоянии сотен микрон от поверхности катода сливаются в макроскопическую струю, где плотность плазмы п составляет порядка 1014 см-3 [8]. Эту плотность обычно принимают в качестве характерной для прикатодной плазмы [9]. Для среднего ионного заряда Zi = +2 и
Геометрические и электрические параметры соленоидов магнитной системы
№ D (мм) d (мм) L (мм) n I (A)
1 240 180 85 1570 1.05
2 240 180 55 1100 1.05
3 240 180 55 1100 2.0
4 145 65 110 1270 1.4
5 245 185 192 1050 0.72
указанной выше температуры электронов, отсюда
находим т , - з7тТ/2¡А^ГпКг 21 п - 5 х 10 с, так что в этой области холловский параметр для электронов <аБете1 « 1.5 (здесь юВе = гВ1шс — электронная циклотронная частота, \е\ и т — заряд и масса электрона, соответственно, с — скорость света, Л ~ 10 — кулоновский логарифм).
При удалении от катода плотность плазмы падает существенно быстрее величины магнитного поля, так что вблизи плоскости А—А п ~ 1011 см-3 [2], т.е. здесь &Вете1 > 1. Аналогичные оценки ионного холловского параметра &тте1 (юВ,- = /ш,с — ионная циклотронная частота, Ш1 — масса иона) для областей плазменной струи вблизи катода и плоскости А—А, дают 6 х 10—5 и 6 х 10—3, соответственно. Полученные оценки показывают, что электроны в эксперименте можно считать замаг-ниченными, а ионы — незамагниченными.
Для определения положения катодной струи на выходе транспортирующей системы, в плоскости А—А помещался лист прозрачной полимерной подложки, границы которого в двух положениях (а) и (б) отмечены на рис. 1 сплошными и контурными стрелками, соответственно. Положение (а) использовалось при исходном направлении магнитных силовых линий, положение (б) — при противоположном направлении линий. Подложка облучалась потоком плазмы в течение 10 мин., после чего изображение полученной металлической пленки фотометрировалось. Предполагая, что оптическая плотность изображения пленки в данной точке пропорциональна величине плазменного потока, положение катодной струи определялось по денситограмме изображения.
Подчеркнем, что струя плазмы генерировалась поверхностью катода, параллельной плоскости YZ в направлении, перпендикулярном этой плоскости, и распространяясь вдоль магнитных силовых линий, достигала плоскости А—А под углом, близким 90° к первоначальному направлению, т.е.двигалась здесь практически вдоль оси Z перпендикулярно плоскости А—А.
Сепарирующие характеристики магнитной транспортирующей системы определялись по из-
меренному распределению составляющих катод элементов в плоскости А—А сечения катодной струи. С этой целью в плоскости помещались три набора из семи идентичных образцов каждый, закрепленных в трех держателях. Первый держатель (I на рис. 1б) помещался в плоскости оси катода XZ, а два других (II и III) — на расстояниях, соответственно, 6 и 10 см от него в отрицательном направлении оси Y. Образцы закреплялись в держателях на равном расстоянии 2 см друг от друга вдоль оси X, при этом образец № 1 находился на расстоянии xmin = 20 см,
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.