ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2011, том 37, № 11, с. 1015-1022
УДК 533.95
ДИНАМИКА ПЛАЗМЫ
ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРЯДА И ДИНАМИКА КОМПРЕССИОННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ МПК КОМПАКТНОЙ ГЕОМЕТРИИ
© 2011 г. И. Е. Гаркуша, В. И. Терешин, В. В. Чеботарев, Д. Г. Соляков,
Ю. В. Петров, М. С. Ладыгина, А. К. Марченко, В. В. Стальцов, Д. В. Елисеев
Институт Физики Плазмы Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт' (ННЦ ХФТИ) Национальная академия наук Украины, Харьков, Украина Поступила в редакцию 09.11.2010 г. Окончательный вариант получен 30.03.2011 г.
Представлены результаты экспериментального исследования магнитоплазменного компрессора компактной геометрии, сконструированного для работы на тяжелых газах. Приведены результаты исследования интегральных характеристик разряда, энергосодержания плазменных потоков, а также основных параметров генерируемых потоков ксеноновой плазмы.
1. ВВЕДЕНИЕ
Настоящая работа посвящена исследованию основных характеристик разрядов и параметров плазменных потоков, генерируемых магнито-плазменным компрессором (МПК) компактной геометрии, работающим на тяжелом газе, в частности, ксеноне. В ряде экспериментов для работы МПК использовалась смесь гелия и ксенона. Интерес к подобным исследованиям продиктован как возможными применениями газоразрядных источников плотной плазмы для генерации излучения в области вакуумного ультрафиолетового излучения (например, в области длин волн 13.5 нм, выбранной в качестве базовой для литографии следующего поколения), так и с точки зрения фундаментального изучения динамики высокоэнерге-тичных потоков плазмы тяжелых газов. Магнито-плазменные компрессоры различной конструкции широко исследовались на протяжении многих лет [1—6], но, как правило, атомный вес рабочего газа, использовавшегося в этих экспериментах, была намного меньше, чем атомный вес материала, из которого изготавливались электроды (в большинстве случаев медь). Вместе с тем, достаточно обрывочна экспериментальная информация, касающаяся формирования компрессионных потоков плазмы при работе МПК на тяжелых газах, масса которых превышает массу возможных примесных ионов (материал электродов и изоляторов).
2. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ МПК И ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ В ОБЛАСТИ КОМПРЕССИИ
Плазмодинамические системы типа МПК обладают замечательным свойством, а именно: пу-
тем выбора геометрии ускорительного канала, величины разрядного тока, а также массового расхода рабочего газа, можно получить режимы работы, близкие к двум асимптотическим режимам: ускорительному или компрессионному [1, 2]. Для получения излучения из плазмы в области длин волн 13.5 нм необходимо достичь температуры плазмы несколько десятков электрон-вольт (что обеспечивает появление десятикратно ионизованных ионов ксенона). При больших значениях плотности плазмы в области компрессии можно ожидать высокую интенсивность излучения. Именно, поэтому конструкция МПК выбиралась таким образом, чтобы приблизиться к компрессионному режиму течения, соответствующему двухжидкостной магнитогидродина-мической модели [7].
Оценки основных параметров плазмы, которые принципиально достижимы в области компрессии, можно сделать, воспользовавшись уравнением Бернулли [1, 2]
v + d + H = const = U, (1)
2 J p 4np
где v — скорость плазменного потока, p — давление плазмы, р — ее плотность, H — напряженность собственного магнитного поля.
Для реализации режима работы, близкого к компрессионному, скорость генерируемого потока плазмы в области компрессии должна стремиться к нулю, при этом ускорительный канал МПК должен сходиться к оси. Кроме этого, ширина канала f также должна уменьшаться f ^ 0. Таким образом, для получения течения плазмы в режиме, близком к компрессионному, ускорительный канал МПК должен быть сужающимся.
А.И. Морозовым было показано, что максимальная величина плотности плазмы в области компрессии, при условии, что МПК работает в компрессионном режиме, когда скорость плазменного потока на выходе из ускорительного канала V ^ 0 определяется выражением [1, 2]
= По
(У-1)%°
Ст о
1
7-1
(2)
где п0 — плотность плазмы на входе в ускорительный канал; у — показатель политропы; СА0 и Ст0 — альфвеновская и тепловая скорости на входе в ускорительный канал соответственно. Максимальную величину температуры плазмы в области компрессии можно оценить из следующего соотношения [1, 2]:
Т =
у- 1 НО2 М
(3)
у 4пр0 к
где М — масса иона и к — постоянная Больцмана.
Так, например, при величине разрядного тока 1й = 400 кА, начальной плотности плазмы п0 =
= 3 х 1016 см-3, температуре плазмы на входе в канал Т = 3 эВ при адиабатическом сжатии (у = 5/3) и среднем радиусе ускорительного канала г = 4 см предельно достижимые параметры ксеноновой плазмы в области компрессии: плотность птах =
= 1.9 х 1019 см-3 и температура до Ттах = 270 эВ. Данная оценка, естественно, не учитывает, что в реальном эксперименте скорость генерируемого потока плазмы в области компрессии не обращается в ноль, а имеет некоторое, конечное значение у. С учетом этого, выражение для максимальной величины плотности плазмы в области компрессии можно переписать в следующем виде:
у-1 С 2
СТ 0
г
2Л
2 VII
С__I
СА0 „
V
1
7-1
(4)
и, соответственно, для указанных выше начальных условий можно получить в области компрессии плазму с плотностью на уровне (1.6—2) х
х 1018 см-3 (при величине скорости в зоне компрессии близкой к тепловой).
Совершенно очевидно, что приведенные оценки принципиально достижимых параметров плазмы в области компрессии не учитывают многих особенностей течения плазмы в профилированных каналах. Тем не менее, приведенный анализ максимальных параметров плазмы в области компрессии указывает на принципиальную возможность получения компрессионных плазменных потоков тяжелых газов с достаточно высокими параметрами, представляющими интерес как для плазмодинамики, так и для генерации интен-
сивного излучения в широкой спектральной области, вплоть до экстремального ультрафиолетового и рентгеновского.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА 3.1. Конструкция МПК
Ускорительный канал МПК образован медными коаксиальными электродами. Внешний электрод (анод) состоит из сплошной цилиндрической части диаметром 120 мм, длиной 145 мм, и стержневой конической. Коническая часть сформирована 12 стержнями диаметром 10 мм и длиной 147 мм, наклоненных под углом 7.5° к оси системы. Внутренний электрод (катод) имеет цилиндрическую часть длиной 208 мм, диаметром 60 мм, и сплошную коническую часть длиной 120 мм и диаметром выходной части 30 мм. В выходной части катода выполнено диверторное отверстие диаметром 20 мм и глубиной 34 мм. Электроды разделены кольцевым изолятором с внутренним диаметром 42 мм и толщиной 20 мм. Кроме того, на цилиндрическую часть катода надевался продольный керамический изолятор диаметром 70 мм и длиной 103 мм. Такая система высоковольтной изоляции позволяла работать при напряжении на электродах МПК до 25 кВ без возникновения торцевых пробоев по изолятору. В ряде экспериментов с внешней стороны анода был установлен медный экран, который предотвращал свободное растекание рабочего газа за пределы стержневой части ускорительного канала, обеспечивая тем самым частичную подпитку разряда носителями тока со стороны анода. Общий вид МПК представлен на рис. 1.
Рабочий газ — ксенон — подавался в разряд с помощью импульсного электродинамического клапана, который напускал до 15 см3 ксенона при атмосферном давлении за импульс. В настоящих экспериментах применялись две схемы напуска ксенона в МПК. В первом случае, ксенон инжектировался в межэлектродное пространство со стороны катода через 12 отверстий диаметром 1 мм. Инициирование разряда осуществлялось с варьируемыми временами задержки по отношению к старту напуска газа, обеспечивая различные сценарии развития разряда в канале МПК. Во втором случае, ксенон инжектировался вдоль оси МПК через отверстие в диверторном канале непосредственно в область компрессии с различными временами задержки по отношению к началу разряда. При этом разряд в канале МПК осуществлялся на гелии при различных величинах остаточного давления. Таким образом, в настоящих экспериментах было реализовано две схемы развития разряда: импульсная инжекция ксенона в разрядный промежуток и локальная инжекция
Рис. 1. Общий вид ускорительного канала МПК.
ксенона в область компрессии. Схематично данные сценарии разрядов представлены на рис. 2.
МПК размещался в вакуумной камере диаметром 45 см и длиной 200 см. Камера откачивалась турбомолекулярным насосом ТМН-500 до давления 2 х 10-5 Торр.
Энергопитание разряда в МПК осуществлялось от емкостного накопителя С = 90 мкФ с максимальным напряжением 30 кВ. Батарея коммутировалась управляемым вакуумным разрядником. Система электропитания электромагнитного клапана состояла из емкостного накопителя (емкость 700 мкФ, максимальное напряжение 5 кВ) и коммутирующего элемента — игнитронного разрядника ИРТ-6.
3.2. Методы диагностики
Система диагностики электротехнических характеристик разряда и параметров плазменных потоков, генерируемых МПК, включала в себя калиброванные пояса Роговского, частотно-компенсированные делители, миниатюрные подвижные магнитные и электрические зонды. Плотность энергии в генерируемом потоке и полная энергия потока измерялись локальным медным подвижным калориметром с принимающей поверхностью диаметром 5 мм. Средняя скорость фронта плазменного потока определялась время-пролетным методом. Излучение плазмы в видимом диапазоне фиксировалось фотодиодами, установленными вдоль оси вакуумной камеры на различных расстояниях от МПК. Временные за-
Рис. 2. Режимы работы МПК: режим работы с импульсным напуском ксенона в межэлектродный промежуток (а); режим работы на остаточном газе с локальной инжекцией ксенона непосредственно в зону компрессии (б): 1 — газовый клапан, 2 — изолятор, 3 — электроды, 4 — ксенон, 5 — зона компрессии, 6 — гелий.
Рис. 3. Осциллограммы разрядного тока (1) и разрядного напряжения (2) МПК при напряжении на конденсаторной батарее 20 кВ.
висимости скорости генерируемого потока опред
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.