ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.10.2024
Просмотров: 76
Скачиваний: 0
|
|
|
|
|
Т аблица |
1.1 |
||
Параметры прямоугольных импульсов сильного тока |
|
|||||||
|
Максимальная |
Время нара |
Время спада |
Длительность |
||||
|
стания перед |
заднего |
полки импульса |
|||||
|
амплитуда |
него фронта |
фронта |
при |
]0%-ИОМ |
|||
ом |
тока, ка |
импульса, |
импульса, |
спаде |
амплитуды, |
|||
|
|
|
мксек |
мксек |
|
мксек |
|
|
3,0 |
' |
2 |
0,7 |
0,4 |
|
666 |
' |
|
1,0 |
|
6 |
2,0 |
1 |
3 |
|
220 |
|
0 ,5 |
|
12 |
3,2 |
1,7 |
|
106 |
|
|
0,23 |
|
24 |
8,0 |
4,0 |
|
50 |
|
|
Сравнение с расчетами, проведенными в § 1.1, показывает, |
||||||||
что технические |
данные установки |
позволяли |
изучать |
|||||
релаксацию концентрации свободных электронов при дости жении квазнстациопарного состояния (характерное время тр„е порядка ІО-4 — 10-в сек), релаксацию температуры
тяжелых частиц (время тттпорядка ІО-5 сек). Изучение
процессов релаксации отрыва температуры электронов от температуры тяжелых частиц, обладающей характерным временем ~ ІО-7 сек, на описанной установке не пред ставлялось возможным.
Для выполнения сформулированных выше требований к методу создания плазмы, особенно для достижения одно родности, стабильности и осесимметричности, а также от сутствия примесей от электродов и стенок, пришлось при нять специальные меры. Конструкция разрядной трубки обеспечивала осесимметричность и коаксиальность. Ра ботали на непрерывном протоке исследуемого газа; для избежания загрязнения газа материалом стенок трубки тщательно контролировали режимы разряда, не допуская испарения стенок при больших плотностях тока или длин ных импульсах. Конструкция разрядной трубки изображена на рис. 1.6. Трубка из кварца диаметром от 20 до 60 мм, длиной до 200 мм обладала цилиндрической симметрией; электроды — медные, торцевые, занимали практически все поперечное сечение (за вычетом небольших отверстий для вакуумной системы). Подвод тока осуществлялся шестью коаксиальными кабелями, равномерно размещенными по окружности, соосной с трубкой; оба полюса генератора были присоединены к фланцам у торцов трубки, так что разрядный и обратный токи были коаксиальными. Таким образом, электродинамические силы от обоих токов взаим-
37
НО скомпенсированы. Индуктивность разрядной трубки составляла не более 100 см. Плазму наблюдали млн по ра диусу, или с любого из торцов через окна. Серьезное внима ние было уделено организации начальных стадий разряда. При начальном напряжении 5 кв поджиг разряда в гелии и азоте при давлении холодного газа 10 mopp затруднен. Поэтому необходимо было подавать высоковольтный под жигающий импульс непосредственно на электроды трубки. Применяли отдельный поджигающий блок с напряжением
Ряс. 1.7. Осциллограммы тока (}) и напряжения (2) на уста новке силыюпонпзоваппоп плазмы (азот; р » = і торр).
до 20 кв. Вследствие часто наблюдавшихся нарушений осесимметрнн канала тока из-за его одностороннего развития был использован предварительно зажигаемый тлеющий разряд с током около 100 ма. Для питания эталонного источ ника излучения ЭВ-45 [39, 53] также использовали основ ную конденсаторную батарею генератора. Ввиду того что импульс поджига ЭВ-45 должен обладать напряжением около 50 кв, необходимо было предусмотреть, чтобы элек трическая прочность включающего разрядника была доста точной для предотвращения самопроизвольного запуска разрядника и шунтирования поджига ЭВ-45. Поэтому в соответствии с рекомендациями работы [52] использовали пятисекционный включающий разрядник.
Система откачки и наполнения исследуемым газом вклю чала форвакуумный и диффузионный насосы, обеспечиваю-
38
щие откачку до ~ 5 • 10~5 mopp и работу установки на протоке газа, два натекателя, регулирующих давление, емкости с исследуемым газом, вакуумный манометр ВИТ-ІА и U-образный масляный манометр для измерения давления выше 1 mopp. Система смешения газов давала возможность приготовлять тройные смеси. Для проведения опытов с во дородной плазмой на установке был смонтирован водяной электролизер на постоянном токе. Получаемый водород очищали от паров воды пропусканием через колонку с ед ким натром.
Электрические параметры импульса тока — напряже ние и ток, измеряли емкостно-омическим делителем и ма лоиндуктивным коаксиальным шунтом соответственно. Ос циллограммы напряжения и тока приведены на рис. 1.7. Амплитуды тока контролировали при помощи накопитель ного вольтметра (пик-вольтметра). Начальное напряжение генератора измеряли статическим киловольтметром. Уста новка обеспечивала повторение формы импульсов, что проверяли как электрическими измерениями (осциллограм мы тока II напряжения, отсчеты пик-вольтметра), так и оп тическими измерениями (форма светового спектрального импульса на спектрографе с фотоэлектрической пристав кой и скоростная фоторегистрация канала тока).
§ 1.4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ
Для экспериментального определения характеристик элементарных процессов в плазме необходимы комплекс ные исследования энергетических состояний компонент плазмы. Поэтому к методам измерения параметров плазмы предъявляются большие требования. Диагностические мето ды должны обеспечить одновременное получение следую щих опытных данных: а) температуры тяжелых частиц — атомов и ионов в основном состоянии, а также давления плаз мы в целом и ее отдельных компонент; б) абсолютных засе ленностей возбужденных уровней атомов и ионов и их рас пределения в возможно широком энергетическом интервале; в) функции распределения и концентрации электронов. Все эти сведения необходимо получить для данной точки пространства, и они должны относиться к невозмущенной плазме. При исследовании релаксационных процессов по мимо перечисленных требований методы диагностики долж ны обладать временным разрешением, удовлетворяющим условию т„зМ4С тр> где тпзм — постоянная времени из
39
мерений, а Хр — характерное время изучаемого вида
релаксации.
Для слабоноиизованной неравновесной плазмы важ нейшим параметром является функция распределения элек тронов ФРЭ. Для ее измерения в настоящей работе исполь зовали метод электрических зондов и формулу Дрювестейна [54]:
/е(£) |
Шс |
d2lg (lg) |
(1.5) |
|
2jteg |
dV\ ’ |
|||
|
|
где fe ($) — функция распределения свободных электронов по энергиям; те, е0— масса и заряд электрона; іе ($) — электронная компонента плотности тока от электрического зонда, обладающего потенциалом Ѵ3 относительно по тенциала плазмы. Таким образом, для получения функции распределения электронов требуется измерить зависимость второй производной электронной компоненты зондового тока от потенциала зонда.
Так как описываемые ниже эксперименты по исследова нию функции распределения электронов в слабоиоиизоваиной плазме были проведены на установке безэлектродного высокочастотного разряда, необходимо было задавать опор ный потенциал зонда, применяя двойной зонд. Для получе ния всей электронной ветви вольта-мпериой характеристики зонда, что требуется для измерёния функции распределения электронов во всем диапазоне энергий, симметричный двой ной зонд неприменим, так как оп регистрирует лишь быст рые электроны из так называемого хвоста функции распре деления. Выполнению поставленной задачи отвечает двойной асимметричный зонд с отношением собирающих поверхно стей не менее (Mj!me)'/=, где /VI; — масса ионов исследуе мого газа [54]. Для аргона эта величина — порядка 300. Как известно [54—56], теория электрического зонда спра ведлива при выполнении ряда условий: а) дебаевский ра диус и радиус зонда должны быть меньше минимального
свободного пробега компонент плазмы: |
(/-д, г3) С |
б) возмущения, вносимые максимальным |
размером зонда |
и его державки (экрана) в функцию распределения элек
тронов из-за неупругих процессов на |
поверхности зонда, |
||
должны быть малы: |
|
|
|
г%+ |
'зѴ 2 {nmJMi)'!'- |
?4шъ |
|
где Ä.n — средний |
свободный пробег |
частицы до |
иониза |
ции электронным |
ударом; гэ — радиус державки |
зонда. |
|
40 |
|
|
|
По данным работ [33—57 и др.], эффективная температура
электронов |
в |
плазме |
высокочастотного |
разряда |
в |
раз |
||
реженном |
газе |
составляет 4—8 эв, |
а |
концентрация |
нх |
|||
ІО10 — ІО12 |
слг3. |
Дебаевский радиус |
для такой |
плазмы |
||||
/д «= ІО"4 ~ |
ІО-3 |
см. |
Минимальным |
свободным пробегом |
||||
в слабоионнзованной плазме надо считать пробег электро на, рассчитанный по полному эффективному сечению ней тральных частиц; оценив это сечение величиной порядка
ІО”16 |
см2, |
для |
пи = ІО15 слг3, что |
соответствует давле |
|
нию 0,1 mopp, |
получим Кмап |
см. С учетом того, |
|||
|
|
|
|
|
2 |
Рис. |
1.8. |
Схема зондовых |
|
||
измерений |
в |
слабоионнзо |
|
||
|
ванной плазме: |
|
|
||
/ — |
измерительный зонд; |
2 — |
|
||
иротнвозоид; 3 — источник пи |
|
||||
тания; 4 — |
аккумуляторная |
ба |
|
||
|
|
тарея. |
|
|
|
что обычно собирающий зонд выполняют диаметром менее 1 мм, можно считать, что оба первых условия будут выпол нены для зондовых измерений в высокочастотной плазме. Рассматривая третье условие, легко установить, что второе слагаемое левой части неравенства примерно в 10 раз мень
ше первого. Поэтому отсутствие возмущений |
измеряемой |
|
функции распределения будет обеспечено при |
гэ |
1 см. |
В соответствии с результатами проведенных оценок со бирающий зонд (рис. 1.8) был выполнен из вольфрамовой проволоки диаметром 0,3 мм с длиной неизолированной части 5 мм; в качестве противозонда использовали фольгу из нержавеющей стали размером 10 X 15 см (отношение площадей около 3000), размещенную на внутренней ци линдрической поверхности разрядной трубки. Продольный разрез в противозонде необходим для проникновения в плаз му вихревого поля индуктора. Описанное расположение противозонда, как показали проведенные нами специаль ные опыты с помощью магнитного зонда, практически не влияло на распределение электрического поля в плазме. Для снижения помех, наводимых высокочастотным полем на собирающий зонд, последний находился в экранирую-
41