ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010, том 36, № 9, с. 826-832
ПЛАЗМЕННАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 533.952
МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ИОННЫХ ПОТОКОВ В ПЛАЗМЕ РАЗРЯДА СИЛЬНОТОЧНОЙ ВАКУУМНОЙ ИСКРЫ
© 2010 г. А. Н. Долгов, Н. В. Земченкова, Н. А. Клячин, Д. Е. Прохорович
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУМИФИ), Москва, Россия
Поступила в редакцию 17.11.2009 г.
Окончательный вариант получен 19.01.2010 г.
Экспериментально изучались процессы образования ионных потоков в разряде сильноточной вакуумной искры. Показано, что образование перетяжки, являющейся источником многозарядных ионов, происходит в продуктах эрозии внутреннего электрода. Потоки вытекающей из области развития перетяжки плазмы играют роль поршня, вовлекающего в процесс движения за пределы разряда частицы из пространства, занимаемого холодной периферийной плазмой. С ростом достигаемой в разряде силы тока возрастает поток вещества с электродов, снижается степень его ионизации, уменьшается эффективность процесса пинчевания для разогрева плазмы.
1. ВВЕДЕНИЕ
Сильноточная вакуумная искра (СВИ) в качестве источника многозарядных ионов обладает противоречивыми свойствами. С одной стороны, имеется область плотной горячей плазмы, в которой происходит рождение ионов высокой кратности ионизации (^ > 20) [1—7]. С другой стороны, область формирования горячей плотной плазмы, часто называемая микропинчем, неизбежно погружена в протяженную область достаточно плотного и холодного вещества [8], через которую необходимо транспортировать ионы. Последнее обстоятельство заметно снижает эффективность разряда СВИ в качестве ионного источника [9].
Авторы стремятся детально разобраться в механизмах, связанных с образованием и транспортировкой ионов в плазме разряда СВИ, чтобы найти пути трансформации этой разновидности г-пинчевого разряда, в котором реализуется столь эффективный механизм формирования плотной горячей плазмы — радиационное сжатие [10, 11], в компактный и привлекательный по своим эмиссионным параметрам источник ионов.
Цель проведенных экспериментов — исследование пространственной структуры плазмы разряда и параметров ионной эмиссии, изучение влияния различных факторов на динамику разряда и корпускулярные потоки, формирующиеся в разряде.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Эксперименты выполнены на электроразрядном устройстве в результате разряда конденсатора С1 в продуктах эрозии материала электродов при начальном вакууме в рабочей камере не хуже
10-4 Тор (рис. 1). Пробой межэлектродного пространства, к которому приложено зарядное напряжение конденсатора С1, инициируется поступлением в разрядный промежуток форплазмы от четырех вспомогательных источников эрозионного типа (триггеров) при разряде конденсатора С2 после срабатывания коммутирующего устройства КУ. В качестве коммутирующего устройства используется вакуумный трехэлек-тродный управляемый разрядник, состоящий из герметизированного плексигласового корпуса с двумя металлическими фланцами. К фланцам разрядника подключается коммутируемая цепь. Фланец, на котором расположен ввод поджигаю-
Рис. 1. Схема электроразрядного контура СВИ: 1 — внутренний электрод (катод), 2 — внешний электрод (анод), 3 — электроды инициирующего устройства, КУ — коммутирующее устройство (трехэлектродный управляемый вакуумный разрядник), ПР-1 и ПР-2 — пояса Роговского в цепи основного и вспомогательного (инициирующего) разрядов соответственно, С и С2 — конденсаторы емкостью 12 мкФ и 0.22 мкФ.
Рис. 2. Сигналы с пояса Роговского ПР-1 и МКП, регистрирующего поток ионов, прошедших сепарацию в электростатическом поле (ток в разряде: /тах = 100 кА (а), 40 кА (б)).
внешним
внутренним электрод
(a)
(б) в поперечном по отношению к оси разряда направлении
(в) в осевом направлении разряда со стороны внешнего электрода
Рис. 3. Конструкция электродной системы (а) и типичные обскурограммы (б, в) плазменного канала СВИ при достигаемой величине тока в разряде 1тах = 140 кА: 1 — область формирования плазменной точки, 2 — область холодной периферийной плазмы, бомбардируемой потоком быстрых электронов, 3 — поверхность электрода. Изображение сформировано: за 10 разрядов (б), за 5 разрядов (в).
щего электрода, является катодом прибора, противоположный фланец — анодом. Плюс высоковольтного импульса поджига подается на ввод поджигающего электрода, минус — на фланец разрядника, при этом происходит пробой в поджигающем промежутке, образование на катоде плазменного факела, закорачивающего вакуумный промежуток между катодом и анодом. Сила тока в разряде измеряется по сигналу с пояса Роговского ПР-1. Время нарастания тока Т/4 « 1.5— 2.0 мкс при различной емкости конденсатора С1. Временная синхронизация диагностической аппаратуры осуществляется сигналом с пояса Рогов-ского ПР-2, расположенного в цепи инициирующего разряда. Напряжение, до которого заряжается конденсатор С1, составляет 3—15 кВ, при этом достигаемая в разряде сила тока изменяется в пределах 35—180 кА (регистрируемый профиль разрядного тока представлен в верхней части рис. 2а).
Процедура калибровки пояса Роговского ПР-1 осуществлялась следующим образом. Подбором расстояния между электродами добивались профиля разрядного тока в контуре конденсатора С1, не отличающегося заметным образом от синусои-
дального с затухающей амплитудой. Временной ход тока апроксимировался зависимостью
I(t) = CuUo
2пГ + Л
1/2
exp (-Т) sin (2Т), (1)
Т! т
где Т — измеряемый период разряда, т — время релаксации, т.е. время затухания амплитуды колебаний тока в е раз, С1 — емкость конденсатора, и0 — зарядное напряжение конденсатора С1.
3. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Были проведены исследования пространственного положения излучающих в рентгеновском диапазоне спектра X < 0.4 нм областей разряда с помощью камеры-обскуры (рис. 3). Указанный спектральный диапазон выделялся с помощью поглощающего фильтра, изготовленного из бериллиевой фольги толщиной 100 мкм. Увеличение регистрируемого на рентгеновской фотопленке изображения составляло Г = 1, диаметр отверстия в диафрагме камеры-обскуры равнялся й = 0.3 мм. Основным фактором, определив-
шим в данном случае пространственное разрешение, оказывается геометрическое разрешение, которое составляет АЬ = (Г + 1) й/Г = 0.6 мм.
Зарегистрировано местоположение области формирования плотной горячей плазмы, так называемой плазменной точки, на расстоянии 2— 3 мм от поверхности внутреннего электрода на оси разряда при наблюдении в радиальном направлении (рис. 3б). Поток электронов, ускоренных в области развития плазменной точки, вызывает свечение в рентгеновском диапазоне спектра поверхности внешнего электрода и плазмы, расположенной в пространстве между плазменной точкой и поверхностью электрода. Отметим, что распространение потока высокоэнергетичных электронов в направлении внешнего электрода нехарактерно для сильноточных разрядов СВИ [1—7]. Обычно фиксируется бомбардировка электронами внутреннего электрода, играющего роль анода, так как такой режим разряда позволяет обеспечить устойчивое формирование плазменной точки. Подбором электротехнических параметров разрядного контура конденсатора С2, а именно емкости конденсатора, его зарядного напряжения, индуктивности контура, нам удалось добиться режима разряда с устойчивым образованием плазменной точки и формированием потока высокоэнергетичных электронов в направлении внешнего электрода при отрицательной полярности внутреннего электрода.
С целью уточнения пространственной структуры источников рентгеновского излучения и локализации области формирования плазменной точки были получены изображения разряда в осевом направлении при меньшем числе экспозиций (рис. 3в). Наблюдаемое в этом случае испускание рентгеновского излучения преимущественно из приосевой области разряда показывает, что плазменная точка является более ярким источником коротковолнового излучения по сравнению с при-электродной плазмой. Возможно, это является прямым свидетельством того, что плотность вещества в плазменной точке значительно превышает плотность вещества в приэлектродной плазме.
Для получения наглядной информации о динамике плазмы была применена техника теневой фотографии с импульсным лазером в качестве осветителя [12]. Длительность высвечивания зондирующего излучения с длиной волны 337 нм составляет 6 нс. Теневое фотографирование области разряда СВИ осуществляется в заданный момент времени благодаря системе синхронизации и требуемой задержке между моментами инициации разряда и импульсом зондирующего лазерного излучения.
В силу сложившихся обстоятельств авторы были лишены возможности регистрировать момент испускания лазером зондирующего излучения на профиле тока в каждом разряде. Для временной привязки получаемого однократно за разряд теневого изображения предварительно было прове-
дено исследование зависимости задержки между моментом инициации разряда и моментом испускания зондирующего излучения от параметров системы синхронизации, включающей в себя линию задержки между электронной схемой запуска коммутирующего устройства КУ в контуре вспомогательного разряда (рис. 1) и электронной схемой запуска системы накачки лазера. В качестве варьируемых параметров были выбраны: длина линии задержки, напряжение поджига на вакуумном разряднике (КУ), напряжение импульса, запускающего систему накачки лазера. Проведенное исследование позволило в дальнейшем осуществлять временную привязку зондирующего излучения к профилю тока основного разряда с точностью не хуже 0.1 мкс. Набор статистики при постепенном увеличении длины линии задержки в одной серии экспериментов при неизменной емкости и зарядном напряжении конденсатора С1 показал вполне удовлетворительную повторяемость общей картины изменения пространственной структуры плазмы разряда, наблюдаемой на регистрируемых тенеграммах.
На полученных теневых фотографиях в процессе возрастания тока наблюдается выброс плотного вещества с поверхности внутреннего электрода преимущественно вдоль оси разрядного промежутка. Передний фронт потока плотного проводящего вещества (т.е.
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.