Статья: Метод определения потоков электронов в конденсированных средах, возникающих при гамма-облучении (2016)

Экспериментально исследовано изменение поверхности микрочастиц меламин-формальдегида (MF-R) (диаметр 4,12±0,09 мкм) в плазме тлеющего разряда постоянного тока в неоне, аргоне и смеси аргон-кислород (Ar-90%, O2-10%) при их экспозиции в плазме в течение 10, 20, 40, 60 минут. Микрочастицы размещались в составе упорядоченных плазменно-пылевых структур с последующим их извлечением. Приведены результаты исследования профиля поверхностного слоя микрочастиц методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Обсуждаются оценочные количественные данные о деструкции поверхностного слоя и характере его модификации. Проведены расчеты реальной площади просканированных с помощью АСМ участков поверхности частиц при помощи фрактального анализа.

Методом частиц в ячейке проведено трехмерное моделирование потоков ионов криптона и ксенона в плазменном ЭЦР-инжекторе CERA-RI-2. Расчеты выполнены для различных величин плотности плазмы, напряженности электрического СВЧ-поля и разности потенциалов между сеткой и корпусом резонатора. Определены зависимости интенсивности массового потока ионов от параметров эксперимента.

Экспериментально установлено, что в диэлектрическом плазмопроводе при ЭЦР-разряде и в условиях реализации возбуждения стоячей ионно-звуковой волны формируется пространственно локализованное плазменное образование с высокой яркостью свечения. На основе полученных результатов делается вывод о возможности создания компактных источников интенсивного излучения, спектр которых определяется типом рабочего газа или смеси газов, источников интенсивных потоков химически-активных частиц, а также источника плазмы для двигателя коррекции орбит легких космических аппаратов.

В работе представлены результаты экспериментального исследования поведения спектральных и фотометрических характеристик излучения в оптическом диапазоне импульснопериодического микроволнового ЭЦР-разряда (2,45 ГГц, мощность до 200 Вт, давление плазмообразующего газа Ar от 110-4 до 110-1 Торр). В этих условиях в рабочем объеме создается плотная (ne = 11010÷41011 см-3) низкотемпературная (Те = 3÷5 эВ) плазма с высокой степенью ионизации (110-3÷510-5). Показано, что регистрируемое повышение концентрации электронов вблизи верхней границы указанного диапазона давлений при неизменном уровне подводимой мощности приводит к радикальному изменению типа и спектрального состава излучения, а также к пороговому характеру увеличения светового потока. Анализ зондовых и оптических измерений позволил выделить диапазон изменения рабочих условий, определяющих характер и параметры изучаемых радиационных процессов.

Метод рентгенографической диагностики использован для определения области локализации и форм-факторов релятивистского плазменного сгустка, генерируемого в зеркальной магнитной ловушке в условиях гиромагнитного авторезонанса, с последующей оценкой плотности электронной компоненты. Анализ рентгенограмм свидетельствует о наличии частиц с энергиями масштаба сотен кэВ со средней концентрацией в диапазоне 2—81010 см-3. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами рентгеноспектральных измерений и вычислительного эксперимента на основе метода частиц в ячейке.

Приведены некоторые результаты исследования СВЧ-разряда в тяжелых углеводородах. СВЧ-энергия вводилась в жидкий углеводород с помощью коаксиальной линии. Давление над поверхностью жидкости равно атмосферному давлению. Разряд зажигался в среде аргона и паров углеводорода (аргон подавался через канал в центральном проводнике коаксиальной линии). Исследованы спектры излучения разряда в разных жидких углеводородах и показано, что в спектре излучения наблюдаются разные секвенции полос Свана, а возможное излучение других компонентов плазмы находится на уровне шумов. Приведены спектры излучения плазмы в жидком н-гептане, нефрасе, и масле С-9, используемом для получения химических волокон. Приведены вращательные (газовая) и колебательные температуры, полученные при обработке спектров.

В однобарьерном разряде с обострением напряжения и низкими расходом газа (до 1 л/мин) в щелевой геометрии разрядной зоны сформированы плоские плазменные струи атмосферного давления в воздухе, имеющие ширину до 3 см и длину до 4 см. Измерены энергетические, температурные и спектральные характеристики полученных струй. Спектр излучения содержит интенсивные максимумы, соответствующие электронно-колебательным переходам второй положительной системы молекулярного азота N2 (C3Πu → B3Πg) и сравнительно слабые линии переходов первой положительной системы иона N2 + (B2Σ+ u → X2Σ g). На примере инактивации культуры Staphylococcus aureus (штамм АТСС 209) показано, что плазма является источником химически активных частиц, обеспечивающих инактивацию микроорганизмов.

Представлены результаты спектроскопии начального участка сверхзвуковой плазменной струи, формируемой с помощью импульсного разряда в капилляре с аблирующей стенкой, выполненной из углеродсодержащего полимера. Выявлены особенности пространственного распределения электронной плотности и интенсивности спектральных компонент, которые, в частности, вызваны высоким значением электронной температуры в «горячей» центральной зоне, превышающем «нормальную» температуру, а также существенной неизобаричностью начального участка сверхзвуковой струи. Зарегистрированные с высоким временным (1—50 мкс) и пространственным (30—50 мкм) разрешением излучательные свойства высокотемпературного ядра струи (интенсивность и контур бальмеровских линий Hα и Hβ, относительные интенсивности ионных линий C II) позволили установить основные закономерности в распределениях давления и температуры в окрестности центрального скачка уплотнения. Благодаря наличию в потоке молекулярных компонентов, проявляющих свои излучательные свойства на периферии струи, удалось получить представление о параметрах плазмы в зоне образования «висячих» скачков уплотнения.

Рассматривается интегральная устойчивость рабочих режимов термоядерного реактора. Показано существенное различие условий устойчивости для режимов с нагревом термоядерными альфа-частицами и без термоядерной реакции, связанное с тем, что мощность нагрева термоядерными продуктами в значительно большей степени зависит от параметров плазмы, чем поглощенная мощность внешнего нагрева. Данный вопрос является важным для анализа возможных стационарных рабочих режимов термоядерных реакторов на основе альтернативных систем удержания плазмы. Область устойчивости существенно расширяется при снижении коэффициента усиления мощности в плазме Q. Это обстоятельство важно для источников термоядерных нейтронов с Q ~ 1, так как означает более надежное управление энерговыделением, чем в реакторах с Q ~ 10. Анализ основан на уравнении энергии. В общем виде время удержания представлено в виде степенного закона. Проанализированы некоторые законы удержания. Например, один из возможных законов удержания для обращенной магнитной конфигурации (FRC) может соответствовать неустойчивым режимам при Q > 5.

В работе построена физико-математическая модель магнитно-инерциального термоядерного синтеза (МИТС), разработан численный метод расчета параметров при имплозии замагниченной мишени, что открывает возможности создания новых плазменных источников высокой плотности для применения их в материаловедческих экспериментах и для перспективных направлений энергетики. Выполнено первоначальное тестирование разработанной численной методики.

Рассматриваются возможности использования D–D-плазмы для генерации быстрых нейтронов. Важное преимущество D–D-реакции заключается в том, что отпадает необходимость воспроизводства трития. D–D-плазма может быть источником нейтронов с энергией 14 МэВ, которые рождаются в результате сгорания образующегося трития. Рассмотрено влияние примеси лития, который в небольшом количестве улучшает энергобаланс D–Dплазмы. Оптимальное с точки зрения критерия Лоусона отношение концентраций лития и дейтерия составляет 0,3—0,4. Выход в нейтронах с энергией 14 МэВ составляет около 50 % при добавлении лития-6 и около 35 % при добавлении лития-7. Требуются температуры около 100 кэВ. Поэтому для этого вида термоядерного топлива давление плазмы должно быть примерно равно магнитному давлению. Для увеличения скорости реакции может быть использован интенсивный нагрев пучком быстрых атомов. При этом коэффициент усиления в плазме Q ~ 1 может достигаться при температуре электронов около 100 кэВ и энергии инжектируемых дейтронов около 2 МэВ.