Прикладная физика

Приведены результаты исследования динамики горения дугового разряда в электродуговой камере плазмотрона переменного тока мощностью до 10 кВт. Измерения про-водились с использованием графитовых и вольфрамовых электродных наконечников при атмосферном давлении в диапазонах расходов плазмообразующих газов: H2 до 0,08 г/с и смеси H2+CH4 до 0,1 г/с. Установлены характерные стадии развития разряда, среди которых наблюдались контрагированные, диффузные с образованием плазменного шлейфа и переходные типы дугового разряда.

Рассматривается вопрос о влиянии диодной плазмы на формирование и распространение волн сжатия и ударных волн внутри мишеней при исследовании воздействия сильноточных электронных пучков на твердые мишени. Экспериментальные исследования проведены на установке «Кальмар», генерирующей сильноточный пучок электронов. Для получения оценок проведено численное моделирование процессов, происходящих в диоде, заполненном плазмой, в рамках одномерной магнитной гидродинамики. Полученные результаты моделирования подтверждают, что плазма может обеспечивать давление, достаточное для создания наблюдаемых в эксперименте вторичных волн сжатия.

Работа посвящена изучению теплофизических и радиационных процессов в ходе формирования плазменного канала при прохождении серии импульсов тока импульсно-периодического цезий–ртуть–ксенонового разряда.

Показано влияние на развитие и релаксацию плазменного канала режима вспомогательного разряда, температуры и давления паров металлов. Изучены спектральные характеристики при прохождении каждого из импульсов тока.

Работа посвящена изучению теплофизических и радиационных процессов в ходе формирования плазменного канала при прохождении серии импульсов тока импульсно-периодического цезий–ртуть–ксенонового разряда.

Показано влияние на развитие и релаксацию плазменного канала режима вспомогательного разряда, температуры и давления паров металлов. Изучены спектральные характеристики при прохождении каждого из импульсов тока.

Одной из основных проблем для устройств инерциального электростатического удержания с инжекцией электронов является нейтрализация пространственного
заряда. Данная работа посвящена анализу проблемы квазинейтральности плазмы
в схеме осцилляторного удержания ионов на основе наносекундного вакуумного разряда (НВР). Электродинамическое моделирование процессов анейтронного синтеза протон–бор показало, что плазма в НВР, и особенно на оси разряда, действительно соответствует квазинейтральному режиму, заметно отличающемуся от известной схемы периодически осциллирующих плазменных сфер (ПОПС). В этом случае малые осцилляции в НВР есть механизм резонансного нагрева ионов, в отличии от когерентных сжатий в оригинальной модели ПОПС. Скейлинг мощности синтеза оказывается близок к схеме синтеза с ПОПС, но существенно отличается величинами па-раметра квазинейтральности и степени сжатия.

Ранее в наносекундным вакуумном разряде (НВР) с дейтерированным Pd-анодом наблюдалось появление DD-нейтронов не только на хорошо изученной квазистационарной стадии, где в межэлектродном пространстве возникает виртуальный катод (ВК), но и на самой начальной стадии разряда. Анализ эксперимента показывает, что автоэлектронный пучок может играть роль своего рода триггера для запуска процессов DD-синтеза на поверхности или в объеме Pd-анода, но его механизм на начальной стадии разряда оставался неясным. В данной работе проведено PIC-моделирование возможного частичного проникновения пучка автоэлектронов внутрь полых анодных Pd-трубок. Это приводит к образованию короткоживущих ВК очень малых размеров внутри отдельных Pd-трубок, где, начиная с величины тока в 100 А, оказывается возможен DD-микросинтез. Показано, что в устройствах с осциллирующими ионами скейлинг мощности DD-синтеза, которая увеличивается с уменьшением радиуса ВК, может сохраняться вплоть до rВК  0,02 см.

Рассмотрена задача о емкостном ВЧ-разряде низкого давления ( << ) с электродами большой площади при возбуждении его электромагнитным полем частотой от 13 до 900 МГц. Получены общие аналитические формулы для амплитуд собственных волн и импеданса разряда. Учтено, что возбуждение поверхностных волн и высших нераспространяющихся мод происходит как благодаря осевой неоднородности структуры «плазма-слой-металл», так и за счет краевых эффектов у среза электрода. Более высокая амплитуда резонансных мод в сравнении с возбуждением разряда ТЕМ-волной в данном случае приводит к бо́льшей изрезанности зависимости импеданса разряда от плотности электронов. Данный вывод подтвержден прямым расчетом импеданса с помощью программы Comsol Multiphysics®.

В работе представлен анализ данных по сечениям упругих и неупругих столкновений электронов с атомами благородных газов. Рассмотрены транспортное (диффузионное) сечение, сечения возбуждения и ионизации. Для выбранных наборов экспериментальных и теоретических данных найдены оптимальные аналитические формулы и для них подобраны аппроксимационные коэффициенты. Полученные полуэмпирические формулы позволяют воспроизводить значения сечений в широком диапазоне энергий столкновения от 0,001 до 10000 эВ с точностью нескольких процентов.

Исследовано влияние на параметры разряда в цезий – ртуть – ксеноновой парогазовой смеси возвращенного обратно в плазму собственного излучения газоразрядной лампы. Изучены трансформация спектра излучения, формирование плазменного канала при достижении квазистационарной стадии. В результате исследования самообращения резонансной линии цезия доказана определяющая роль роста давления паров плазмообразующей среды на изменение характеристик плазмы.

Было спроектировано, изготовлено и испытано нескольких вариантов коаксиальных инжекторов с целью создания компактного, стабильно работающего коаксиального инжектора импульсной плазменной струи. Проведены эксперименты с диэлектрической вставкой из силикатного стекла и из фторопласта. Продемонстрированы основные преимущества коаксиальной конструкции: простота ее исполнения и, следовательно, дешевизна и точность исполнения, а также возможность согласованного режима и возможность «симметризации» разряда внутри камеры при уединенном радиальном стримере инициации по поверхности диэлектрической вставки.

Установлена связь между мощностью электромагнитного излучения плазмы дуги и величиной потока излучения, падающего на поверхность фотоприёмника. С этой целью решено уравнение переноса излучения в плазме дуги для случаев, когда поверхности электродов полностью отражают либо полностью поглощают падающее на них излучение. Рассматривается случай, когда газоразрядная плазма является аксиально-симметричной, однородной и находится в состоянии локального термодинамического равновесия. Получены формулы для мощности Ppl излучения дуги и мощности Pd излучения, падающего на фотоприёмник. Установлено соотношение, связывающее мощности Ppl и Pd. Выполнен численный анализ этого соотношения в широком диапазоне значений геометрических параметров задачи. Результаты расчётов представлены в удобной графической форме. Получены простые асимптотические формулы, связывающие Ppl и Pd в широкой области параметров эксперимента.

В настоящее время в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» идёт подготовительная стадия работ для первых экспериментов на токамаке Т-15МД. Одним из этапов подготовки является сооружение гиротронного комплекса и конструирование системы ввода СВЧ-мощности для электронно-циклотронного резонансного (ЭЦР) нагрева плазмы. Во время наладочных работ, в связи с пониженным энергопитанием, Т-15МД будет работать с относительно низкими магнитными полями (тороидальное магнитное поле в центре плазмы Btor(r/a = 0)  1,5 Тл). Поэтому частота гиротрона выбрана равной 82,6 ГГц при длительности импульса до 30 секунд с выходной мощностью около 1 МВт. Эксперименты предполагается проводить на второй гармонике необыкновенной волны при вводе СВЧ-излучения с внешней стороны вакуумной камеры (резонанс при Btor  1,5 Тл). СВЧ-излучение гиротрона поступает к фланцу камеры установки по вакуумному гофрированному волноводу, длинной около 35 м, с внутренним диаметром 63,5 мм. Главной задачей гиротронного комплекса Т-15МД на первой стадии работ является предыонизация рабочего газа. Система ввода позволяет фокусировать волновой пучок, и в области фокусировки плотность мощности в поперечном сечении достигает значений  0,200,25 МВт/см2, что аналогично успешным экспериментам по пробою на токамаке Т-10. Последнее зеркало системы ввода способно отклонять пучок в тороидальном и полоидальном направлениях в пределах (25о) и (–5о)(+35о) соответственно. Это придаёт гибкость экспериментам, как по пробою, так и другим задачам по ЭЦР-нагреву и поддержанию безындукционного тока электронно-циклотронными волнами на квазистационарной стадии разряда. В условиях пробоя на стороне сильного магнитного поля (Btor(r/a = 0)  1,3 Тл), электротехническая система Т-15МД позволяет быстро поднять поле в процессе разряда, переместив нагрев в центр.