Электромагнитные колебания при неустойчивом плазменно-поверхностном взаимодействии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Акел, Мохамад

• Акел, Мохамад
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Акел, Мохамад

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА ПЕРВАЯ Неустойчивые режимы разрядов низкого давления. Литературный обзор.

1.1. Пучково-плазменный разряд.

1.2. Тлеющие разряды

1.3. Высокочастотные разряды

1.4. Механизмы эмиссии

1.5. Возникновение на В АХ разрядного промежутка участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

ГЛАВА ВТОРАЯ Экспериментальная установка и средства диагностики.

2.1. Экспериментальная установка.

2.2. Диагностические средства установки ПР-2.

2.2.1. Экспериментальная конструкция коллекторной системы.

2.2.2. Измерение параметров автоколебаний.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ Экспериментальное и численное исследование ВЧ-автоколебательных режимов пучково-плазменного разряда.48 3.1. Физико-математическая модель неустойчивого плазменно-поверхностного взаимодействия и развития ВЧавтоколебаний.

3.1.1. Плазменно-поверхностный контакт как нелинейный элемент автоколебательной системы.

3.1.2. Механизмы эмиссии и мгновенная ВАХ.

3.1.3. Математическая модель несамостоятельного автоколебательного вторично-эмиссионного разряда.

3.1.4. Метод фазовой плоскости. Классификация устойчивых и неустойчивых состояний.

3.1.5 Диаграмма устойчивости разрядной системы с Ы-образной ВАХ.

3.1.6. Релаксационные высоковольтные колебания.

3.1.7. Квазигармонические колебания.

3.2. Низкочастотный (высоковольтный) автоколебательный разряд при наличии внешней индуктивности.

3.2.1. Способы регулирования параметров автоколебаний.

3.2.2. Учет инерции ионов.

3.2.3. Увеличение мощности автоколебательной системы.

3.3. Высокочастотные колебания на собственной резонансной частоте разрядного канала.

3.3.1. Учет вихревой составляющей электрического поля в приэлектродном слое.

3.3.2. Импеданс канала. Учет индуктивности и сопротивления плазмы разрядного канала.

3.3.3. Разрядная система и математическая модель высокочастотного АВЭР на собственной резонансной частоте.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ Автоколебательные разряды повышенной мощности. Переход в режим самостоятельного разряда.

4.1. Собственные колебания АВЭР в приближении коаксиальной линии.

4.2. Колебания геликонного типа.

4.3. Формирование высоковольтных импульсов.

4.4. Переход из несамостоятельного в самостоятельный режим.

4.5. Способы запуска самостоятельного ВЧ-автоколебательного разряда.

4.6. Двухконтурная схема автоколебательной системы.

4.7. Вторично-эмиссионные неустойчивости периферийной плазмы в магнитных ловушках.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электромагнитные колебания при неустойчивом плазменно-поверхностном взаимодействии»

Взаимодействие плазмы с контактной поверхностью электродов и стенок является важнейшим аспектом физики газовых разрядов и изучается уже много лет. Вопросы, связанные с плазменно-поверхностным обменом энергией, веществом и электрическими зарядами, имеют большое значение в таких областях физики плазмы, как термоядерные и космические исследования, плазменная электроника и плазменные технологии. Эти вопросы довольно полно исследовались и теоретически и экспериментально, но, тем не менее, многие особенности приэлектродных и приповерхностных процессов остаются недостаточно изученными, и развитые к настоящему времени модельные представления не всегда согласуются с наблюдаемыми экспериментально эффектами.

Структура и динамика дебаевских слоев объемного заряда (ДС), возникающих при контакте плазмы с поверхностью конденсированного вещества, является предметом особенно интенсивных исследований, поскольку именно они в значительной мере определяют работу газоразрядных устройств, а также влияют на процессы в установках для магнитного удержания плазмы. Широкий диапазон экспериментальных условий и самосогласованность многих нелинейных процессов в плазме, веществе и граничных слоях приводят к большому многообразию эффектов на границе плазмы и твердого тела, влияющих на генерацию и перенос заряженных частиц. Достаточно полно исследованы условия образования катодных пятен и униполярных дуг, связанных с локальным перегревом и термоэмиссией контактной поверхности. Соответствующая данному процессу вольт амперная характеристика (ВАХ) имеет нелинейный Б-образный характер (неоднозначный по напряжению), присущий ключевым элементам электрической цепи. В данной работе рассмотрена неустойчивость электрического контакта между неравновесной плазмой и поверхностью с повышенной вторично-эмиссионной способностью. Мгновенная ВАХ подобного контакта имеет Г^-образный характер (неоднозначный по току), присущий генераторным и триггерным элементам. Экспериментально такая вторично-эмиссионная (или динатронная) неустойчивость может проявляться в автогенерации мощных как регулярных, так и стохастических электромагнитных колебаний, а также отдельных импульсов. Соответствующие условия могут возникать во многих газоразрядных системах низкого давления, в периферийной области магнитных ловушек, в том числе и при проведении зондовых измерений. С динамическими по вторично-эмиссионному механизму ДС могут быть связаны некоторые особенности аномальных переносов и значительное увеличение (на порядки величины) мгновенного значения падения потенциала в приэлектродном слое по сравнению с его усредненным значением или значением, характерным для стационарного ДС. Возбуждение автоколебаний происходит зачастую неожиданно и существенным образом изменяет работу устройств, стимулируя пробои, ухудшая удержание плазмы и воспроизводимость результатов, поэтому экспериментаторы обычно стараются избегать таких режимов. Систематические исследования процессов, лежащих в основе данной неустойчивости, практически не проводились. Между тем, их изучение позволит развивать методы контроля устойчивости ДС, а также использовать широкие возможности автоколебательных режимов для генерации и ускорения заряженных частиц.

Цель работы состояла: в исследовании механизма положительной обратной связи, ответственного за генерацию электромагнитных колебаний при неустойчивом плазменно-поверхностном взаимодействии, в исследовании условий перехода от стационарного к неустойчивому по вторично-эмиссионному механизму режиму протекания тока между плазмой и контактной поверхностью, в разработке математической модели для расчета параметров автоколебаний, в разработке принципов стабилизации неустойчивости и управления параметрами электромагнитных автоколебаний, в исследовании влияния ВЧ-автоколебаний на пространственные и временные распределения параметров плазмы в разрядном объеме, в разработке автоколебательных методов нагрева и ускорения плазменных и ионных потоков.

Научная новизна работы заключается в том, что выявлены физические основы автоколебательного вторично-эмиссионного разряда (АВЭР) - особой формы газового разряда, которая сопровождается автогенерацией мощных электромагнитных колебаний в разрядной цепи и сочетает свойства пучково-плазменного и ВЧ-емкостного разрядов, построена диаграмма устойчивости разрядов с М-образной ВАХ, впервые проведено исследование вторично-эмиссионной неустойчивости с генерацией ВЧ-автоколебаний на собственной резонансной частоте плазменно-поверхностного контакта, впервые получена и исследована самостоятельная сильноточная форма высокочастотного автоколебательного разряда с противофазной работой холодноэмиссионных катодов, впервые экспериментально показано, что контактная поверхность в автоколебательном режиме взаимодействия с плазмой приобретает мгновенный потенциал, который может превышать стационарный плавающий потенциал в сотни и тысячи раз (для положительных и отрицательных импульсов).

Научная и практическая ценность

Результаты работы могут быть использованы при создании автоколебательных импульсных и резонансных систем ускорения для получения высокоэнергетичных ионных потоков, при разработке газоразрядных генераторов электромагнитных колебаний широкого диапазона частот и быстродействующих переключающих устройств, при создании высокоэффективных источников плазменных потоков в исследованиях аномальных пристеночных переносов в системах магнитного удержания плазмы.

На защиту выносятся: методика оценки устойчивости разрядной системы с Ы-образной ВАХ по вторично-эмиссионному механизму; методика расчета параметров электромагнитных автоколебаний; принцип генерации противофазных высокочастотных электромагнитных колебаний в плазменном канале и приэлектродном слое при неизменных потенциалах на электродах; механизм генерации высоковольтных импульсов напряжения в динамических дебаевских слоях при индуцированном изменении проводящих и вторично-эмиссионных свойств контактных поверхностей; принцип использования автоколебательной системы для нагрева плазмы и ускорения ионных компонентов; положение о том, что вторично-эмиссионный автоколебательный разряд является особой формой самостоятельного сильноточного разряда. Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

• 30 Европейская конференция по физике плазмы и УТС, Санкт-Петербург, Россия, июль 7-11, 2003.

• XVI международная конференция "Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП-2003)" 25-29 августа 2003г. Звенигород.

• XXX Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 24 - 28 февраля 2003.

• XI конференция по физике газового разряда. Рязань 2002.

• III, IV российские семинары "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды" Москва, МИФИ, (2001, 2003).

• Научные сессии МИФИ, 2001, 2003, 2004гг. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 142 страницах, содержит 32 рисунка и список литературы из 75 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Акел, Мохамад

Заключение

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Разработаны физические основы автоколебательного вторично-эмиссионного разряда (АВЭР) - особой формы газового разряда, которая сопровождается автогенерацией мощных электромагнитных колебаний в разрядной цепи и сочетает свойства пучково-плазменного и ВЧ-емкостного разрядов.

2. Показано, что генерация ВЧ-электромагнитных колебаний, эмиссия электронов, нагрев и ускорение заряженных частиц в режиме АВЭР являются взаимно обусловленными процессами.

3. Построена диаграмма устойчивости разрядов с N-образной В АХ контактного слоя. Определены области существования автоколебательного, триггерного (бистабильного), одновибраторных (моностабильных) режимов.

4. Исследована вторично-эмиссионная неустойчивость с генерацией ВЧ-автоколебаний на собственной резонансной частоте плазменно-поверхностного контакта.

5. Получена и исследована сильноточная самостоятельная форма высокочастотного автоколебательного разряда с противофазной работой холодноэмиссионных катодов.

6. Показано, что в самостоятельном АВЭР с амплитудой изменения потенциала контактной поверхности в сотни вольт и частотой выше обратного времени распада плазмы в низковольтной фазе происходит интенсивная бомбардировка поверхности надтепловыми электронами из разрядного канала, и е-е эмиссия становится основным эмиссионным механизмом, значительно более эффективным по сравнению с i-e эмиссией в традиционных холодноэмиссионных разрядах низкого давления.

7. Экспериментально показано, что контактная поверхность в автоколебательном режиме взаимодействия с плазмой приобретает мгновенный потенциал, который может превышать стационарный плавающий потенциал в сотни и тысячи раз (для положительных и отрицательных импульсов).

В заключение, хочу выразить глубокую благодарность Сирийскому Комитету по Атомной Энергии за неоценимую постоянную моральную и материальную поддержку.

Я также хочу искренне поблагодарить моего научного руководителя профессора Валерия Александровича Курнаева, а также старшего научного сотрудника Игоря Викторовича Визгалова за неоценимую поддержку в работе, полезные советы и многочисленные обсуждения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Акел, Мохамад, 2004 год

1. Файнберг Я.Б. Взаимодействие пучков заряженных частиц с плазмой. Атомная энергия. 1961.Т.11.

2. Лебедев П.М., Онищенко И.Н., Ткач Ю.В., Файнберг Я.Б., Шевченко В.И. Теория плазменно-пучкового разряда. Физика плазмы, 1976, Т.2, вып.З, с.407.

3. Незлин М.В. Динамика пучков в плазме. Москва. Энергоатомиздат, 1982.

4. Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. Москва, Наука, 1972.

5. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные устройства. М. Электроника. 1979.

6. Райзер Ю.П., Физика газового разряда. М. Наука. 1987г. 592с.

7. Энциклопедия низкотемпературной плазмы, главный редактор серии академик В.Е.Фортов, Москва "наука", 2000, Т.2. с. 18.

8. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко H.A. Высокочастотный емкостный разряд. Москва, издательство МФТИ, 1995г.

9. Федоров H.H. Основы электродинамики. М., 1980, Высшая школа.

10. Физика и технология источников ионов. Под редакцией Я. Брауна, перевод с английского под редакцией д.ф.м.н. Е.С. Машковой. Москва. Мир, 1998.

11. Junzo Ishikawa, Toshinori takagi. Beam plasma discharge in a Kyoto beam-plasma-type ion source. J. Appl. Phys. 54 (6), June 1983. pp.2911-2922.

12. Gunell H., Schrittwieser R., Torven S. A localised high frequency discharge formed in an electron-beam-produced plasma. Physics Letters A 241 (1998) 281-286.

13. Волоколупов Ю.Я., Красноголовец M.A. Динамика пучково-плазменного разряда в адиабатической магнитной ловушке. Письма в ЖТФ, 2001, том 27, вып.4.

14. Кадомцев Б.Б. Коллективные явления в плазме. Москва. Изд. Наука. 1988.

15. Завьялов М.А., Крейндель Ю.Е., Новиков A.A., Шантурин Л.П. Плазменные процессы в технологических электронных пушках. Энергоатомиздат, 1989.

16. Визгалов И.В., Курнаев В.А., Тельковский В.Г., и др. Лабораторный практикум по курсу «Физика горячей плазмы и

17. УТС». Под редакцией Тельковского В.Г. Москва. МИФИ, 1995.

18. Гапонов В.И. Электроника, часть 1, физические основы. Москва 1960г.

19. Михайлов A.B., Гусева Г.И., Завьялов М.А., и др. Одномерное газодинамическое моделирование транспортировки электронного пучка в разреженном газе. ЖТФ, 1984, том 87, вып. 3(9), с. 840.

20. Гусева Г.И., Завьялов М.А., Михайлов A.B., Рошаль A.C. Распространение электронного пучка в разреженном газе. Теплофизика высоких температур. 1986, том 24, вып. 66, с. 1205.

21. Гвоздецкий B.C., Коваленко В.П., Парнега И.М. Автоколебания в ограниченной пучково-плазменной системе. ЖТФ, 1986, том 90, № 1, с. 25-34.

22. Исаев Н.В., Кочмарев Л.Ю., Шустин Е.Г. Энергетическое распределение ионов, рассеянных из области пучково-плазменного разряда. Физика плазмы, 1997, том 23, № 10, с. 966969.

23. Грибков В.А., Григорьев Ф.И., Калин Б.А., Якушин В.Л./ Под ред. Калина Б.А. Москва. Круглый год, 2001.528 с.

24. Энгель А.Ф., Штенбек М. Физика и техника электрического разряда в газах, том второй, свойства газовых разрядов технические применения. Перевод с немецкого Д. Канаскова, Э. Рейхруделя и Г. Тягунова под редакцией проф. H.A. Капцова. Москва 1936.

25. Howatson А. М. An introduction to gas discharges. Oxford, 1976.

26. Жданов C.K., Курнаев В.А., Романовский М.К., Цветков И.В. Основы физических процессов в плазме и плазменных установках. М: МИФИ, 2000.260 с.

27. Синкевич O.A., Стаханов И.П. Физика плазмы, Стационарные процессы в частично ионизованном газе. Москва «Высшая школа» 1991. 191с.

28. Graeme G Lister, J. Phys. D: Appl. Phys. 25 (1992) 1649-1680.

29. Minkler R. Microwave Discharges: Fundamentals and Applications. 1993. New York.

30. Бронштейн И.М., Фрайман Б.С. Вторичная электронная эмиссия, — Москва, Наука 1969.

31. В Ковалев.П. Вторичные электроны. М.: Энергоатомиздат, 1987.

32. Протасов Ю.С., Чувашев С.Н. Физическая электроника газоразрядных устройств. Эмиссионная электроника: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1992.

33. Фридрихов С.А., Мовнин С.М. Физические основы электронной техники: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1982.- 608 с.

34. Зернов Д.В., Яснопольский H.JI. Электронная эмиссия из диэлектрических слоев при наличии в них сильного электрического поля. Радиотехника и электроника, 1964, N.11.

35. Дирнлей Дж., Стоунхэм А., Морган Д. Электрические явления в аморфных пленках окислов. Успехи физических наук, 1974г. Январь, том 112.вып.1.

36. Кирнев Г.С. Неустойчивости дебаевских слоев и ее влияние на распределение плазменных параметров при взаимодействии плазмы с сильно-эмиттирующей поверхностью. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, М. МИФИ, 1998.

37. Иоффе М.С., Соболев Р.И., Тельковский В.Г., Юшманов Е.Е. ЖЭТФ, 39(1961)43.

38. Козлов О.В. «Электрический зонд в плазме», Атомиздат, Москва, 1969 г.

39. Чена Ф. Сборник «Диагностика плазмы» под редакцией Р.Хаддлстоуна и С.Леонарда Мир, Москва, 1967 г.

40. Чан П., Тэлбот JI., Турян К. «Электрические зонды в неподвижной и движущейся плазме (теория и применение)», Мир, Москва, 1978 г.

41. Демидов В.И., Колоколов Н.Б., Кудрявцев А.А. «Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы», Энергоатомиздат, Москва, 1996 г.

42. Подгорный И.М. Лекции по диагностике плазмы. Атомиздат, Москва, 1968.

43. Соболев В.Д. Физические основы электронной техники. Москва, Высшая Школа, 1979.

44. Энциклопедия низкотемпературной плазмы, главный редактор серии академик В.Е.Фортов, Москва "наука", 2000, Т.2. с. 480.

45. Stangeby P. The plasma Boundary of Magnetic Fusion Devices // Plasma Physics Series IOP, Bristol and Philadelphia, 200, 717 p.

46. Козлов И.Г. Современные проблемы электронной спектроскопии. Москва, Атомиздат 1978.

47. Vizgalov I.V., Kirnev G.S., Kurnaev V.A., Sarytchev D.V., Savjolov A.S. Penning discharge in regime of RF autogeneration. Proc. Of XXII international conf. On phenomena in Ionized Gases, Toulouse, France, 1997, V.II, p.26.

48. Kirnev G.S., Kurnaev V.A., Vizgalov I.V. Modeling of sheath potential drop instabilities in SOL with the use of PR-2 mirror machine. Transactions of fusion technology, 1999, V35, NIT, fiiste8 (1), p.200.

49. Визгалов И.В. и др. Исследование механизмов зажигания и условий существования самостоятельного ВЧ-втогенерирующегоразряда. VIII-я конференция по физике газового разряда, Рязань, 1996г., 4.1, с.86-87.

50. Vizgalov I.V. et al. 23 Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics, Kiev, 1996, II 835.

51. Визгалов.И.В., Кирнев.Г.С., Курнаев.В.А.// Известия.РАН, сер. Физическая. 1996.Т.60. с. 168.

52. Ерофеев Ю.Н. Основы импульсной техники. Высш.шк.1979.

53. А.В. Недоспасов, В.Д.Хаит. Основы физики процессов в устройствах с низкотемпературной плазмой. Москва, Энергоатомиздат, 1991.

54. Недоспасов А.В., Хаит В.Д. Колебания и неустойчивости низкотемпературной плазмы. Москва, Наука, 1979.

55. Магомедов A.M., Абдуев А.Х. Устойчивые токовые осцилляции при магнетронном распылении оксидных мишеней. Письма в ЖТФ, 1998, том 24, №5.

56. Тихонов А.Н., Васильева А.Б., Свешников А.Г. Дифференциальные уравнения. 3-е изд.- М. Наука. Физматлит, 1998.

57. Понтрягин JI.C. Обыкновенные дифференциальные уравнения. М. Наука. 1970.

58. Анищенко B.C. Сложные колебания в простых системах. Наука, 1990.

59. Qiu W. D., Bowers К. J. and Birdsall С. К. Electron series resonant discharges: comparison between simulation and experiment. Plasma Sources Sci. Technol. 12(2003) 57-68.

60. Шубин M.A. Лекции об уравнениях математической физики. МЦНМО, Москва, 2001.

61. Кухаркин Е.С. Электрофизика информационных систем. Москва, Высшая школа, 2001.

62. Александров А.Ф., Рухадзе А.А. Лекции по электродинамике плазмоподобных сред. Изд. МГУ, Москва, 1999.

63. Кондратенко А.Н. Плазменные волноводы. Москва, Атомиздат. 1976.

64. Луи де-Бройль. Электромагнитные волны в волноводах и полых резонаторах. Перевод с французского М.С. Головиной, 1948.

65. Трубников Б.А. Теория плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1997.

66. Kenro Miyamoto. Fundamentals of plasma physics and controlled fusion. Japan, 1997.

67. Perry A.J. and Boswell R.W. Appl. Phys. Lett. vol. 22, № 2, 10 July 1989, c. 148-150.

68. Boswell R.W. Plasma Physics and Controlled Fusion, vol. 26, № 10, pp. 1147-1162, 1984.

69. Chen F.F. Plasma Physics and Controlled Fusion, vol. 33, № 4, pp. 339-364,1991.

70. Миллер P. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц. М. Мир. 1984.

71. Zohm Н. Plasma Physics and Controlled Fusion. 38 (1996) 105.

72. Conner J.W. Plasma Physics and Controlled Fusion. 40 (1998) 191.

73. Кадомцев Б.Б. Основы физики плазмы токамака. Итоги науки и техники, сер. Физика плазмы, Том 10, часть 1, Москва 1991.

74. Александров А.Ф., Рухадзе A.A., Савинов В.П., Сингаевский И.Ф. "Электронный энергетический спектр приэлектродной плазмы асимметричного емкостного ВЧ разряда низкого давления", Письма в ЖТФ 1999. Т.25.В.19.С.32-39.

75. Савинов В.П. "Физические процессы в граничных областях емкостного высокочастотного разряда", Известия РАН. Сер. Физическая. 2003.Т.67.№9.