Статья: Численное моделирование потоков ионов тяжелых газов в плазменном ЭЦР-инжекторе (2016)

Идея рассмотренного в данной статье термоэлектрического холодильника зиждется на использовании в качестве рабочего эффекта анизотропии термоЭДС. Эта идея не нова. Во второй половине прошлого столетия очень интенсивно и объемно исследовались возможности применения указанной анизотропии для конструирования генераторов термоЭДС. В настоящей работе приведена теория анизотропного термоэлектрического холодильника, боковые грани которого адиабатически изолированы от внешней среды. Такой холодильник мог бы быть использован для охлаждения микроэлектронных приборов, т. е. таких, которые выделяют мизерное количество тепла. Отличительной особенностью этого холодильника по сравнению со стандартным холодильником Пельтье является то, что он более прост в конструктивном и технологическом отношении. В работе рассчитано возможное снижение температуры, предложен вариант конструкции холодильника.

Приведены экспериментальные результаты исследования зависимости интенсивности свечения газа и люминесцентного экрана от величины тока при различных значениях газоразрядного промежутка (d = 10—100 мкм) и давления газа (Р = 5—120 Торр) фотопреобразователя ионизационного типа с полуизолирующим GaAs-электродом. При измерениях считывание выходного сигнала производилось с помощью фотоэлектрического умножителя ФЭУ-19A.

Проведены исследования и расчеты коэффициента поглощения для структур InGaAs, выращенных эпитаксией из металлоорганических соединений из газовой фазы (MOCVD), а также сравнение экспериментальных данных с теоретической моделью спектра поглощения, основанной на явлении собственного поглощения и общей теории прямых межзонных оптических переходов. Проведен графический расчет ширины запрещенной зоны по наклону экспериментальной характеристики поглощения.

В работе представлены экспериментальные результаты исследования и анализа структурных свойств подложек кадмий-цинк-теллур (КЦТ), предназначенных для эпитаксии кадмийртуть-теллур (КРТ), методами рентгеновской дифрактометрии, селективного травления, инфракрасной микроскопии. Показана взаимосвязь формы и полной ширины на полувысоте кривой качания со структурными дефектами, присутствующими в материале. Преципитаты и включения второй фазы, присутствующие в материале подложки в количестве 102— 104 см-2, не оказывают влияния на значения полной ширины на полувысоте кривой качания. Уширение кривой качания вызвано повышенной плотностью дислокаций (>8105), либо их ячеистым характером распределения. Построены карты распределения значений полной ширины на полувысоте кривой качания для определения структурного совершенства по всей площади образцов, позволяющие проводить оценку пригодности пластин для дальнейшего технологического процесса.

Разработана, изготовлена и исследована матричная микросхема фотоприемника, предназначенная для приема оптического сигнала в диапазоне длин волн 0,4—1,0 мкм, его преобразования в электрический сигнал и вывода в аналоговом виде на 1, 2, 4, 8 или 16 выходов. Основные параметры: зарядовая емкость до 200 тыс. электронов; частота кадров максимального формата более 600 Гц; интегральная чувствительность до 1000 В/(лкс).

Исследованы методы измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) фотодиодов в многорядном фотоприемнике формата 6576 на основе КРТ длинноволнового диапазона спектра. ВАХ строится по результатам измерений выходных сигналов большой интегральной схемы (БИС) считывания, гибридизированной с линейкой ИК-фотодиодов. Проведено сравнение метода независимого измерения тока в каждой точке ВАХ и метода аддитивного измерения тока. Предложен метод определения оптимальных рабочих точек фотодиодов путем построения и анализа зависимости дифференциального сопротивления фотодиода от напряжения смещения. Рассмотрены распределения токов фотодиодов для образца МФПУ формата 6576 на основе КРТ-фотодиодов с подложкой p-типа проводимости с граничной длиной волны λ0,5 = 10,5 мкм.

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.

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.

Приведены новые результаты теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия фотонов ионизирующего излучения с различными веществами. В частности, рассмотрены фотоэффект и комптоновское рассеяние этих фотонов. При помощи разработанного автором нового метода определения отношения числа комптоновских электронов к числу фотоэлектронов через измерение отношениям интенсивностей характеристического и некогерентно рассеянного излучений показано, что тем самым можно определить отношение массового коэффициента сечения некогерентного рассеяния первичного излучения к массовому коэффициенту фотоэлектрического поглощения первичного излучения. Впервые получены новые соответствующие результаты для молибдена и вольфрама. Анализ результатов показал, что имеются существенные расхождения между прежними теоретическими расчётами и опытными данными.

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.