Введение к работе
О
Актуальность темы исследований.
Под микропинчевым обычно понимают сильноточный импульсный разряд, в котором при определенных условиях образуется короткоживущий (т < 1 не) плазменный объект малого размера (г < 10 мкм) с высокими температурой (Те = 1+2 кэВ) и плотностью (п« >. 1021 см"3).
Среди наиболее известных типов установок, в которых реализуется режим микропинчевания, можно отметить: нецилиндрический Z-пинч или плазменный фокус, низкоиндуктивную вакуумную искру, Z-пинч с импульсной инжекцией газа, взрывающиеся проволочки.
Активные исследования микропинчевых разрядов (МПР) начались в 70-х годах прошлого века после того, как в 1968 году впервые сообщили о наблюдении в разряде низкоиндуктивной вакуумной искры (НВИ) локальной области плазмы, являющейся интенсивным источником рентгеновского излучения. В разрядах НВИ микропинчевую область принято называть плазменной точкой (ПТ).
Именно этот объект стал предметом широкого круга исследований, среди которых доминирующую роль играет спектроскопия в рентгеновском диапазоне. С ее помощью получены такие важные параметры ПТ, как электронная плотность, температура, размеры, время жизни. Следует также отметить методы визуализации пространственной структуры плазмы с высоким временным разрешением (теневое фотографирование, интерферометрирование, получение фарадееграмм), которые позволяют исследовать динамику МПР, структуру токов и магнитных полей в, сечениях плазменного канала на различных стадиях процесса пинчевания.
Однако, подобные измерения проводились, в основном, при максимально достижимых для конкретной микропинчевой установки значениях разрядного тока, когда заведомо происходит формирование ПТ. Образование ПТ носит пороговый по току характер - сжатие до микронных размеров происходит лишь при максимальном значении тока в разряде Imax 2: 120 кА. А развитие неустойчивостей, пр^ш^ятпиу і
пинчеванию
Г РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СПетерб»»г кй(1
09 Wfb^^JJ
плазменного канала, происходит при величине тока в разряде, превосходящей некоторое значение, называемое критическим. Величина критического тока 1кР определяет баланс между потерями энергии на излучение и джоулевым тепловыделением в канале разряда (в плазме железа 1кр « 50 кА). Для понимания физической картины явлений, предворяющих образование ПТ в разрядах типа НВИ, целесообразно провести исследования динамики плазменного канала МПР при различной величине тока, протекающего в межэлектродном промежутке (скейлинг по току).
Поведение периферийной по отношению к микропинчу плазмы, собственное излучение которой лежит в видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазоне спектра, практически не исследовано.
Немногочисленные исследования корпускулярной эмиссии из области НВИ ограничивались, по большей части, изучением ускоренной компоненты электронного потока и, опять-таки, при максимально возможных значениях разрядного тока. Ионная компонента плазменного потока исследовалась лишь на предмет использования разряда НВИ в качестве источника многократно ионизованных ионов. При этом анализу процессов в разряде НВИ, выполненному на основе экспериментальных данных по плазменной эмиссии, внимания практически не уделялось.
С точки зрения технологического применения установок, в которых реализуется микропинчевой разряд, первоочередным требованием является ресурс работы, а именно, максимальное количество импульсов тока при которых в динамике плазменного канала и сопутствующих ей процессах еще не происходит существенных изменений. Поскольку МПР реализуется в парах материалов электродов, то можно ожидать, что изменение режимов разряда со временем будет происходить из-за трансформации электродной системы. Подобные исследования практически не проводились.
Таким образом, актуальной является задача комплексного изучения процессов как в объеме разрядной области, так и на поверхности электродов.
Цель работы.
Целью настоящей работы является исследование динамики разряда НВИ и его эмиссионных характеристик в зависимости от величины силы тока, протекающего в разряде, и числа рабочих импульсов, а именно:
визуализация динамики канала плазмы НВИ при различной величине силы тока, достигаемой в разряде;
изучение собственного свечения области разряда в видимом диапазоне спектра с пространственным и временным разрешением;
исследования скейлинга по току в динамике эмитируемых из области разряда плазменных потоков;
исследования процессов на электродах, в парах материалов которых и осуществляется данный тип разряда.
Автор выносит на защиту следующие, содержащие научную новизну, основные результаты:
1. Результаты исследования спектров ионов, эмитируемых из разрядной
области низкоиндуктивной вакуумной искры, в до- и сверхкритическом
токовых режимах работы импульсной пинчевой установки с радиально-
симметричным плазменным инициированием разряда методом пассивной
корпускулярной диагностики.
2. Результаты визуализации динамики плазменного канала разряда
низкоиндуктивной вакуумной искры методом теневого фотографирования от
момента пробоя межэлектродного промежутка и до стадии развала плазменного
образования, включительно, при различной геометрии катодов и разных
значениях энергии, вкладываемой в разряд.
Данные о характере собственного свечения плазмы низкоиндуктивной вакуумной искры в видимом диапазоне спектра как с разрешением во времени, так и интегрально по длительности горения разряда.
Результаты исследования процессов переноса материалов электродов в разряде низкоиндуктивной вакуумной искры и структурных изменений в поверхностных слоях катода.
5. Выявленную на основании сопоставления данных теневого фотографирования, регистрации спектров ионов, характера собственного свечения плазмы в видимом диапазоне спектра и процессов на электродах динамику разряда низкоиндуктивной вакуумной искры в до- и сверхкритическом токовых режимах.
Научная и практическая значимость работы.
1. Использование корпускулярной диагностики при исследовании
эмиссии частиц из области низкоиндуктивной вакуумной искры показало ее
эффективность как независимого и дополнительного источника информации о
процессах в такого рода разрядах.
2. Выявленная динамика низкоиндуктивной вакуумной искры показала
применимость модели радиационного коллапса на стадиях, предшествующих
микрогшнчеванию в разрядах такого типа.
3. Результаты проведенных исследований позволяют рекомендовать
разряд низкоиндуктивной вакуумной искры с радиально-симметричным
плазменным инициированием в качестве удобного экспериментального стенда
для отработки различных методов диагностики пинчующейся плазмы, а также
для изучения модификации рельефа и структуры поверхности твердых тел.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на: 2« Зй 4ав и 6ой сессиях мифи (1999,2000,2001 и 2003 г.г, г. Москва); XIV Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (1999 г., г. Звенигород, Моск. обл.);
II Российском семинаре "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды" (2000 г., г. Москва); V Международном симпозиуме по радиационной плазмо динамике (2000 г., г. Москва);
21й1 Международном симпозиуме по физике ионизованных газов (2002 г., г. Сокобаня, Югославия);
XXX Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (2003 г., г. Звенигород, Моск. обл.);
X Всероссийской конференции по диагностике высокотемпературной плазмы (2003 г., г. Троицк, Моск. обл.).
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 13 печатных работах. Их список представлен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
