Экспериментальное исследование потоков заряженных частиц из плазмы импульсных вакуумных разрядов

• Автор: Музюкин, Илья Львович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 129 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Экспериментальные исследования
1.2. Теоретические модели
1.3. Выводы и постановка задач исследования
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ
2.1. Метод быстрого количественного анализа в спектрометре Томсона
для анализа импульсных источников плазмы
2.2. Одноканальный энерго-массанализатор
2.3. Выводы к Главе
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И
ЗАРЯДОВОГО СОСТАВА ПОТОКА ПЛАЗМЫ НАНОСЕКУНДТ1ЫХ ВАКУУМНЫХ РАЗРЯДОВ
3.1. Энергетический и зарядовый состав потока плазмы наносекундной вакуумной искры
3.1.1. Экспериментальная установка и методика
3.1.2. Результаты экспериментов и обсуждение
3.1.3. Исследования с помощью цилиндра Фарадея
3.2. Угловая зависимость энерго-массового состава плазмы вакуумного пробоя по поверхности диэлектрика
3.2.1. Экспериментальная установка
3.2.2. Результаты и обсуждение
3.3. Эффект селективного ускорения ионов водорода в совмещенном
разряде
3.3.1. Экспериментальная установка и результаты
3.3.2. Обсуждение
3.3.3. Исследования с помощью цилиндра Фарадея
3.4. Выводы к Главе

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ И ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ ПОТОКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНОЙ ДУГИ
4.1. Исследования потока ионов на катодную поверхность в вакуумной
дуге
4.1.1. Экспериментальная установка и методика
4.1.2. Результаты экспериментов и обсуждение
4.2. Исследование временных характеристик потока ионов из катодной области вакуумной дуги
4.2.1. Экспериментальная установка
4.2.2. Результаты и обсуждение
4.3. Исследование потока ускоренных электронов из катодной области вакуумной дуги
4.3.1. Экспериментальная установка
4.3.2. Результаты экспериментов
4.3.3. Обсуждение полученных результатов
4.4. Выводы к Главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Вакуумный разряд является наиболее эффективным источником плазмы, имеющим широкий спектр научного и технологического применения. Наиболее известными сферами применения плазмы вакуумного разряда в научной сфере является разработка источников ионов для ускорителей [1], применение ускоренных ионов в ядерных исследованиях [2,3,4] и в исследованиях инерциального термоядерного синтеза. В технологической области плазма вакуумного разряда применяется в модификации поверхности изделий путем имплантации и осаждения, создания перспективных космических двигателей [5,6,7] и эффективной лазерной накачки. Одним из важнейших явлений, определяющим процессы в источниках плазмы на основе вакуумных разрядов, является коллекгивное ускорение ионов при разлете плазмы в вакуум. Объяснение и в последствие управление этим явлением имеет определяющее значение для получения новых высокоэффективных источников плазмы для технологического применения и научных исследований.
Вакуумная дуга, как источник высокоионизованной ускоренной плазмы, была описана [8] еще в 1969 г. и с тех пор интенсивно исследуется и применяется в различных и исследовательских технологических устройствах [1]. Наиболее значимые исследования для технологического применения дуговой плазмы проведены в работах [1,9,10,11,12]. При этом интегральные свойства потока плазмы относительно хорошо изучены, но физические процессы, формирующие параметры потока плазмы и регистрируемые экспериментально, являются предметом ожесточенного научного спора уже более чем полувека. Наиболее обсуждаемым является механизм ускорения плазмы против электрического поля разряда до энергий, превышающих приложенное напряжение и достигающих десятков и сотен эВ. Четкое понимание механизма ускорения наверняка позволило бы не только повысить энергию ускоренных ионов, но и, возможно, долю

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ
2.1. Метод быстрого количественного анализа в спектрометре Томсона для анализа импульсных источников плазмы
Импульсные источники плазмы обладают рядом уникальных свойств и преимуществ по сравнению с постоянными источниками. В разных вариантах таких источников наблюдаются аномально ускоренные ионы [13] или ионы с высокой кратностью ионизации [30]. Создание аппаратуры и методик для анализа характеристик потока плазмы имеет большое научное и практическое значение. Важнейшими параметрами потока плазмы являются энергетическое распределение и масс-зарядовый состав нонов. Существует много методик, позволяющих сделать количественный анализ массового зарядового и энергетического распределения потока ионов. Но большинство этих методик использует протяженный во времени процесс сканирования по определенному интервалу энергий [63] или основаны на усреднении результатов единичных измерений для различных значений энергий или скоростей [21]. Если ставится задача количественного измерения энергетического и масс-зарядового состава плазмы импульсного источника ионов, то одним из самых эффективных методов является метод парабол Томсона. Этот метод отличается тем, что дает полную информацию об энергетическом массовом и зарядовом составе каждого единичного ионного импульса. В дальнейшем возможно накопление единичных результатов с целью выяснения усредненного энергетического спектра.
В рамках представленной работы разработан метод фотометрии для спектрометра Томсона, который позволяет анализировать слабый кратковременный поток ионов, создаваемый импульсными источниками плазмы. Метод включает в себя усиление слабого сигнала ионов на основе микроканальной пластины (МКП), преобразование его в световую спектрограмму с помощью люминофорного экрана и регистрацию