Численно исследован процесс формирования сильного электрического поля на металле, частично покрытом диэлектрической пленкой, в потоке плазмы с учетом автоэлектронной эмиссии с поверхности металла и вторичной электронной эмиссии с поверхности диэлектрика. Показано, что при отрицательном потенциале на металле порядка нескольких сотен вольт, плотности плазмы ~1012 см3, температуре электронов плазмы ~10 эВ и толщине пленки d 1 мкм напряженность электрического поля вблизи края пленки достигает нескольких МВ/см, что на два порядка превышает напряженность поля на открытой металлической поверхности в плазме. При умеренном дополнительном усилении поля на микронеровностях поверхности металла на уровне ~10 такая напряженность является достаточной для генерации автоэмиссионного тока с вершин выступов металла с плотностью порядка 108 МА/см2, необходимой для развития взрывной электронной эмиссии с последующим формированием микроплазменного (микродугового) разряда на краю пленки. Исследовано влияние генерируемого пучка автоэмиссионных электронов на формирование электрического поля вблизи края диэлектрической пленки при различных углах наклона среза пленки. При углах наклона < 85 эмитированные электроны не попадают на пленку и практически не влияют на величину формируемого поля. При 90 пучок эмитированных электронов попадает на торец пленки, вызывая вторичную электронную эмиссию с поверхности диэлектрика. В этом случае напряженность электрического поля оказывается недостаточной для развития взрывной электронной эмиссии с поверхности металла, однако под действием пучка ускоренных автоэмиссионных электронов с энергией ~50 эВ и плотностью тока ~105 А/см2 торец пленки нагревается до температуры ~1000 C, что может приводить к интенсивному газовыделению с поверхности диэлектрика. Развитие микроплазменного разряда в этом случае может быть связано с формированием плотного сгустка плазмы вблизи торца пленки в результате ионизации выделившегося газа автоэмиссионным электронным пучком.
В настоящей работе изучены эффективность поглощения высокочастотной (ВЧ) мощности плазмой и структура возбуждаемых волн в индуктивных ВЧ-источниках плазмы (ИП) диаметром 20 см и длиной – 20, 32 и 52 см при наличии внешнего магнитного поля 10–65 Гс. Измерения выполнены в аргоне в диапазоне давлений 0,1–2,3 мТорр и мощностях ВЧгенератора 0–1000 Вт. Для возбуждения индуктивного разряда использовалась соленоидальная антенна. Параллельно с индуктивным каналом в разряде был организован канал постоянного тока, сформированный двумя электродами, расположенными на торцах цилиндрического источника плазмы. Показано, что при давлении аргона менее 1 мТорр и мощностях ВЧ-генератора менее 800 Вт во всех трех рассмотренных ИП эффективность вложения ВЧ-мощности немонотонно зависит от магнитного поля. Измерение аксиального распределения продольной и азимутальной компонент магнитного ВЧ-поля показало, что при магнитных полях более 10 Гс в ИП формируется частично стоячая волна. Положение локальных максимумов азимутальной и продольной компонент ВЧ-поля сдвинуты друг относительно друга по продольной координате. Число полуволн, укладывающихся на длине источника плазмы, зависит от величины индукции внешнего магнитного поля и длины ИП. При подаче между электродами напряжения 100 В амплитуда продольной и азимутальной компонент магнитного ВЧ-поля возрастает, что связано с увеличением коэффициента отражения волны на границе ИП.
В работе последовательно рассмотрены предпосылки создания импульсных цезий–ртуть– ксеноновых ИК-источников с двумя сапфировыми оболочками. При этом теоретически выявлены факторы, определяющие параметры излучения газоразрядной лампы, сформирована математическая модель и выполнен расчет температурных, плазменных и радиационных характеристик разряда, а также выполнен комплекс экспериментальных, конструкторских и технологических исследований. Полученные результаты расчетных и экспериментальных исследований позволили впервые создать новое поколение отечественных импульсных газоразрядных источников ИК-излучения с разрядом смеси паров цезия, ртути и ксенона, ограниченным системой из двух сапфировых оболочек.
В статье приведен обзор последних достижений в области генерации и исследования пучковой плазмы, получаемой при ионизации газа стационарным низкоэнергетичным пучком электронов в форвакуумном диапазоне давлений (1–100 Па). Представлены особенности взаимодействия стационарного электронного пучка c создаваемой им плазмой при его транспортировке в вакуумной камере большого объема, а также результаты исследования параметров плазмы, создаваемой при инжекции электронного пучка в сосуд с диэлектрическими стенками. Показано, что в зависимости от параметров электронного пучка, давления и рода газа возможно создание условий коллективного взаимодействия с зажиганием пучково-плазменного разряда, отличающегося повышенным значением концентрации и температуры плазменных электронов.
Создан комплекс диагностической аппаратуры с многоканальным сцинтилляционным спектрометром рентгеновского излучения в энергетическом диапазоне 270 кэВ с наносекундным временным разрешением и разработана методика измерений. Исследована динамика спектрального состава импульсного рентгеновского излучения плазмы микропинчевого разряда на установке типа «низкоиндуктивная вакуумная искра». Проведенные исследования позволили получить экспериментальные результаты динамики электронной температуры Te плазмы в процессе микропинчевого разряда и определить последовательность образования жесткого рентгеновского излучения.
Представлен обзор экспериментальных результатов по изучению особенностей структуры и эволюции плазменных токовых слоев, которые формируются в трехмерных (3D) магнитных конфигурациях с Xлинией, в присутствии продольной компоненты магнитного поля, направленной вдоль Xлинии. Показано, что в процессе развития плазменного токового слоя происходит усиление продольной компоненты в пределах слоя. Избыточное продольное поле поддерживается токами плазмы, которые протекают в поперечной плоскости по отношению к основному току в слое, в результате структура токов становится трехмерной. При увеличении начального значения продольной компоненты уменьшается степень сжатия в слой, как электрического тока, так и плазмы, что обусловлено изменением баланса давлений в слое при появлении в нем избыточного продольного поля. Деформация плазменных токовых слоев, а именно, появление в 3D магнитных конфигурациях асимметричных и изогнутых слоев, возникает при возбуждении токов Холла и их взаимодействии с продольной компонентой магнитного поля. Показано, что формирование токовых слоев в 3D магнитных конфигурациях с X–линией возможно в достаточно широком, но ограниченном диапазоне начальных условий.
На основе детального анализа и обобщения результатов расчетов энергетического спектра электронов c использованием разных моделей в газовых разрядах в чистом углекислом газе CO2 и в смесях, содержащих СО2, найдена константа скорости диссоциации СО2 электронным ударом в газовом разряде постоянного тока атмосферного давления. Показано, что при значениях приведенного электрического поля от 55 Тд до 100 Тд преобладающим механизмом разложения молекулы СО2 являются столкновения молекул СО2 с электронами. Получено выражение для вычисления константы скорости диссоциации СО2 электронным ударом в зависимости от приведенного электрического поля.
Найдено аналитическое решение уравнения Пуассона для расчета электрического поля на поверхности электрода, погруженного в однородную неизотермическую бесстолкновительную плазму, состоящую из электронов и однозарядных ионов с зарядом e, с температурой электронов Te, при больших значениях отрицательного электрического потенциала , когда параметр |e| / Te >> 1. Установлено, что размер слоя L плазмы с нарушенной квазинейтральностью вблизи высокопотенциального электрода увеличивается по сравнению с радиусом Дебая rD пропорционально параметру [e / 2Te]3/4 , L = rD [e / 2Te]3/4. Показано, что в лабораторной плазме с плотностью в интервале значений 10101013 см3 и температурой электронов от 1 до 10 эВ при больших значениях потенциала и параметра e/Te >> 1 электрическое поле, рассчитанное по полученной формуле E = | L вблизи поверхности погруженного в плазму электрода, от 20 до 200 раз меньше значений полей, рассчитанных по классической формуле E = | rD, полученной при малых потенциала и при значениях параметра e / Te << 1.
Ранее было установлено, что существует взаимосвязь между динамикой плазмы и процессом ускорения электронов в микропинчевом разряде. Авторы предприняли попытку ввести управляемую временную задержку процесса ускорения электронов относительно процесса сжатия плазмы в перетяжке канала тока. С указанной целью для сильноточной вакуумной искры в режиме микропинчевания был использован комбинированный источник тока, состоящий из параллельно включенных конденсаторной батареи и формирующей линии переменной длины. Было обнаружено, что при использовании формирующей линии достаточной протяженности наблюдается поток высокоэнергетичных электронов с энергией порядка 104–105 эВ на частицу, распространяющийся в направлении внешнего электрода независимо от полярности электродов, а продолжительность существования условий для ускорения электронов примерно на два порядка величины превышает продолжительность быстрого радиационного сжатия и процесс ускорения не может быть связан исключительно с ним.
Экспериментально рассмотрен импульсный ВЧ-разряд как рабочий процесс сеточного ВЧ ионного источника. Показано, что при работе на таком разряде может быть получен прирост ионного тока по сравнению с непрерывным режимом работы. Этот прирост тем больше, чем больше разница между характерным временем падения ионного тока после выключения ВЧ-мощности и временем нарастания ионного тока при включении ВЧ-мощности. Оценены параметры пульсаций, при которых достигается максимизация ионного тока. Показано, что внешнее постоянное продольное магнитное поле в диапазоне 0–7,2 мТ немонотонно влияет на максимальное и равновесное значение ионного тока в импульсе, при этом темпы падения ионного тока после выключения ВЧ-мощности не изменяются.
Приведены данные по экспериментам с разрядами над жидкостями такими, как вода, спирт, глицерин и их смесями. Разряды развивались под верхним электродом в виде иглы, или набора игл. В качестве нижнего электрода использовалась кювета, заполненная веществом, к которой подводилось заземление. Во всех случаях в жидкости под верхним электродом на поверхности вещества возникает воронка, или волны, что свидетельствует о влиянии ионного ветра на поверхностный слой. В случае дистиллированной воды, спирта, смесей спирта с водой и спирта с глицерином на поверхности жидкости под верхним электродом появляются струи и фонтаны, в случае керосина – волны по его поверхности и пузырьки внутри жидкости. Появление струй и их разрушение на капли отражают развитие гидродинамических явлений над заряженными жидкостями. Приведена попытка качественной интерпретации результатов наблюдений, проведены полукачественные оценки.
По излучению молекулы оксида титана (TiO) была проведена оценка газокинетиче-
ской температуры плазмы в реакции синтеза микрочастиц диоксида титана
(TiO2 ) с нанесенными на них наночастицами меди (Cu). Реакции синтеза иницииро-
вались СВЧ-излучением мощного гиротрона в смеси порошков диоксида титана и
меди. В результате были получены материалы, включающие в свой состав микро-
размерные частицы диоксида титана округлой формы размером от 10 мкм до
200 мкм с нанесенными на их поверхность наночастицами меди. Концентрация
меди в смесях порошков менялась от 0,1 % до 20 % по весу. Газокинетическая тем-
пература оценивалась по спектру излучения
-системы молекулы TiO в диапазоне
от 700 нм до 720 нм. Полосы в этом диапазоне обусловлены электронными перехо-
дами между молекулярными состояниями А3Ф–Х3
. Увеличение концентрации ме-
ди в смеси порошков не приводило к СВЧ-пробою, пробой произошел при примене-
нии инициатора. Показано, что с изменением концентрации меди синтез
осуществляется при одинаковых газокинетических температурах 5500
500 К,
которые, таким образом, не зависят от содержания меди в смеси порошков.