Моделирование неустойчивого поверхностно-плазменного взаимодействия на линейном симуляторе с плазменно-пучковым разрядом

• Автор: Гуторов, Константин Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Г лава 1. Литературный обзор
1Л Установки для моделирования плазмы и плазменных процессов в
термоядерном реакторе
1.2 Способы получения плазмы в имитационных установках
1.2Л Дуговой разряд
1.2.2 Пучково-плазменный разряд
1.2.3 Высокочастотные разряды
1.2.4 Геликонный разряд
1.3 Формирование токовых неустойчивостей
1.3.1 Эмиссия тонких диэлектрических слоев при наличии в них сильного электрического ПОЛЯ
1.3.2 Неустойчивость, вызываемая вторичной электронной эмиссией
с погруженного в плазму электрода
Глава 2. Экспериментальная установка и средства диагностики
2.1. Экспериментальная установка
2.2. Конструкция геликонного модуля
2.3. Диагностические средства установки ПР-
Глава 3. Экспериментальное и численное исследование автоколебательных геликонных режимов
3.1 Возбуждение автоколебаний на собственной частоте заполненного плазмой резонатора
3.2 Структура стоячих волн в резонаторе
Глава 4. Роль диэлектрических пленок на поверхности
4.1 Формирование пленок в установке
4.2 Микроскопический анализ поверхности катодов
4.3 Влияние пленки на эмиссионную способность поверхности
Глава 5. Униполярный автоколебательный разряд
5.1 Электрод с низкой эмиссией как источник отрицательного смещения
5.2 Возникновение униполярного автоколебательного разряда
5.3 Математическая модель униполярного автоколебательного вторично-эмиссионного разряда
5.4 Возникновение паразитных разрядов
Заключение
Список литературы
Введение
Взаимодействие плазмы с контактной поверхностью стенок является одной из ключевых проблем термоядерных установок с магнитным удержанием плазмы. Плазменно-поверхностный обмен энергией, веществом и электрическими зарядами способен вызывать неустойчивости плазмы и усложняет контроль над топливом и примесями в установке. В результате, все это влияет на основные параметры реактора: плотность, температуру, время удержания плазмы, периодичность профилактических работ.
Для исследования процессов, происходящих при взаимодействии плазмы с поверхностью, необходимы установки, позволяющие получать плазму, близкую по температуре и плотности к пристеночной плазме термоядерного реактора (ТЯР), и оснащенные различными устройствами диагностики.
Основные критически важные для работы реактора проблемы в области взаимодействия плазмы с поверхностью в установках управляемого термоядерного синтеза это:
1. эрозия поверхности обращенных к плазме элементов установок под действием корпускулярного излучения и тепловых нагрузок на них, стойкость материалов под действием нейтронного облучения
2. накопление изотопов водорода (трития) в материалах стенок и в затененных от прямого воздействия плазмы внутрикамерных элементах;
3. перенос материала в результате осаждения и переосаждения различных конструкционных материалов с образованием смешанных слоев, обладающих свойствами, отличными от свойств исходных материалов;
4. поступление примесей в плазму за счет ее взаимодействия с обращенными к ней элементами и накопление в установке продуктов эрозии в виде пыли;
5. локализованные на периферии неустойчивости, связанные с
особенностями плазмо-поверхностного взаимодействия.

Исследования проводятся как непосредственно на термоядерных установках, так и на специальных имитационных стендах. Работа с большими установками затруднена из-за высоких затрат ресурсов и зачастую не позволяет контролировать и выделять интересующие исследователя процессы. Имитаторы позволяют без привлечения значительных ресурсов воспроизвести требуемую ситуацию с необходимым набором диагностик. Наиболее универсальными имитаторами являются линейные симуляторы с продольным магнитным полем. Эти установки позволяют получать плотную плазму и, следовательно, высокие потоки на поверхность.
Наиболее полно изученные аспекты взаимодействия плазмы с поверхностью это распыление и модификация материалов под действием тепловых и радиационных нагрузок. Широко ведутся исследования свойств материалов по отношению к захвату трития, в том числе изучаются материалы с различными пленочными покрытиями. Подавляющее большинство экспериментов' по распылению, нагрузкам, захвату, переосаждению проводится в условиях стабильной плазмы без неустойчивостей или даже под воздействием только ионных пучков. Однако присутствие плазменно-поверхностных неустойчивостей может существенно менять характер взаимодействия. И если дополнительную термическую нагрузку на материал можно оценить по энергетике неустойчивости, то изменение захвата и осаждения в таких условиях оценить зачастую невозможно.
Широкий диапазон экспериментальных условий и самосогласованность многих нелинейных процессов в плазме, веществе и его приграничных слоях приводят к большому многообразию неустойчивостей на границе плазмы и твердого тела. Достаточно полно исследованы условия образования катодных пятен и униполярных дуг, связанных с локальным перегревом и термоэмиссией контактной поверхности.
Большое значение может иметь неустойчивость электрического контакта
между поверхностью с повышенной вторично-эмиссионной способностью и

1.2 Способы получения плазмы в имитационных установках.
1.2.1 Дуговой разряд
Эго самостоятельный квазистационарный электрический разряд в газе, горящий практически при любых давлениях газа, превышающих 10"2-1 Па, при постоянной или меняющейся с низкой частотой (до 103 Гц) разности потенциалов между электродами. Дуговой разряд отличается высокой плотностью тока на катоде (102—108 А/см2) и низким катодным падением потенциала, не превышающим эффективного потенциала ионизации среды в разрядном промежутке [3]. Светящийся токовый канал этого разряда при горизонтальном расположении электродов под действием конвективных потоков дугообразно изогнут, что и обусловило название.
Известно множество разновидностей дугового разряда, каждая из
которых существует только при определённых внешних и граничных
условиях. Почти у всех видов ток на катоде стянут в малое очень яркое
пятно, беспорядочно перемещающееся по всей поверхности катода (катодное
пятно). Температура поверхности в пятне достигает величины температуры
кипения (или возгонки) материала катода, поэтому значительную (иногда
главную) роль в катодном механизме переноса тока играет термоэлектронная
эмиссия. Над катодным пятном образуется слой положительного
пространственного заряда, обеспечивающего ускорение эмитируемых
электронов до энергий, достаточных для ударной ионизации атомов и
молекул газа. Т. к. толщина этого слоя крайне мала (менее длины пробега
электрона), он создаёт высокую напряжённость поля у поверхности катода,
особенно вблизи естественных микронеоднородностей поверхности,
благодаря чему существенной оказывается и автоэлектронная эмиссия.
Высокая плотность тока в катодном пятне и «перескоки» пятна с точки на
точку создают условия для проявления взрывной электронной эмиссии.
Известны и другие катодные механизмы (факельный вынос, плазменный