Формирование ионно-молекулярных пучков при газовой и лазерной нейтрализации

• Автор: Каримов, Александр Рашатович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 176 с. : ил.

Содержание
1 Введение
1.1 Особенности формирования интенсивных пучков
1.2 Процессы и условия образования неоднородной внутренней
структуры пучков
1.3 Экспериментальные результаты по формированию неоднородной внутренней структуры пучков
1.4 Основные задачи по формированию ионно молекулярных пучков
2 Распространение ионных пучков в газах
2.1 Структура равновесных плазменно-пучковых систем
2.2 Компенсация заряда в пространственно ограниченных системах
2.3 Пучковая плазма
2.4 Анализ экспериментальных данных
2.5 Влияние условий транспортировки на структуру пучков
2.6 Радиальная структура пучков в неоднородном газе
2.7 Выводы
3 Внутренняя структура неламинарных заряженных пучков
3.1 Действие нелинейного кулоновского поля на структуру пучков
3.2 Основные предположения и уравнения
3.3 Общее решение в лагранжевых переменных
3.4 Определение и свойства функциональных последовательностей
3.5 Качественный анализ общих решений
3.6 Экспоненциальное распределение начальной плотности
3.7 Радиальные распределения для больших времен
3.8 Примеры начальных распределений
3.9 Волноподобные распределения плотности
3.10 Влияние конечной температуры частиц

3.11 Выводы

4 Устойчивость плазменно-пучковых систем
4.1 Коллективные явления в пучковой плазме
4.2 Модель плазменно-пучковой системы
4.3 Устойчивость электронных колебаний неоднородной плазмы
4.4 Ленгмюровские колебания в неравновесных условиях
4.5 Влияние ионизации на структуру плазмы
4.6 Неоднородное уравнение ионно-звуковых волн
4.7 Длинноволновый предел
4.8 Коротковолновый предел
4.9 Выводы
5 Нелинейные равновесия разреженной плазмы
5.1 Особенности описания бесстолкновительной плазмы
5.2 Основные уравнения
5.3 Общие соотношения
5.4 Распределения максвелловского типа
5.5 Выводы
6 Фотонейтрализация пучков отрицательных ионов
6.1 Методы генерации молекулярных пучков
6.2 Характеристики нейтрализатора и молекулярных пучков
6.3 Динамика электронов в электромагнитном поле
6.4 Тепловая расходимость нейтрального пучка
6.5 О развитии оптического разряда в пучке
6.6 Фотонейтрализация в лазерном резонаторе
6.7 Выводы
7 Оптически активные среды, пригодные для фотонейтрализации
7.1 Эффективность фотонейтрализации и выбор рабочих смесей
7.2 Газодинамические параметры смеси Н2
7.3 Колебательная кинетика Я2
7.4 Анализ результатов численных расчетов
7.5 Сравнение НС1 и ЯК систем
7.6 Выводы

Глава 1 Введение
Широкое применение молекулярных и ионных пучков в различных приложениях и фундаментальных исследованиях обусловлено их физическими свойствами, которые, в частности, позволяют контролируемым образом передавать большие потоки энергии на заданные расстояния и непосредственно получать информацию о взаимодействии отдельных частиц с конденсированными и плазменными средами [1]—[17].
В работе рассматривается формирование и динамика интенсивных ионных и молекулярных пучков. Изучаются особенности достижения квази-стационарных состояний в ионных пучках при распространении в разреженных средах и при нейтрализации пучков отрицательных ионов резонансным лазерным излучением. Исследуется воздействие неравновесных и нелинейных явлений на пространственную структуру плазменно-пучковых систем и собственно самого пучка. Исследуется возможность образования и существования пространственно неоднородных плазменно-пучковых систем. Обсуждается возможность создания источника молекулярных пучков на основе фотонейтрализации потоков отрицательных ионов.
1.1 Особенности формирования интенсивных пучков
Независимо от областей приложения пучков общим вопросом является проблема формирования и транспортировки пучков с параметрами, продиктованными характером решаемых задач. Особое значение эта проблема приобретает с ростом тока пучков.
Как известно, формирование нерелятивистских пучков может быть осуществлено несколькими способами. Во-первых, путем захвата в потенциальную яму пучка частиц противоположного знака из плазмы, образованной при распространении пучка в разреженных газовых средах [1, 3, 8, 13, 14]. Наряду с ионизацией инициируются и другие кинетические процессы,

вдоль оси г, имеет вид [87]:
£1 | шр{ | шрь — (о
Л + Ь? + (и, - *,»»)’ “ 1 '
Из (2.55) следует, что максимальный инкремент и частота колебаний есть
Т = 31/2(а?/4)2/3со'г>е, и и шре, (2.56)
где а = (шрь1шре)2. Используемое приближение холодной плазмы справед-
ливо, если выполняется условие

> 2*1Мь1те)11тъ, (2.57)
где Уть - средняя тепловая скорость ионов в пучке.
Кроме того, отметим, что для интенсивных пучков уровень колебаний может быть настолько высоким, что дисперсионные свойства плазмы будут определяться исключительно нелинейным взаимодействием. В этом случае не представляется возможным выделить собственные колебания плазмы и рассматриваемая схема нагрева будет неверной. Данный случай в работе не рассматривается.
Также необходимым условием бесстолкновительного нагрева является большое число заряженных частиц в дебаевской сфере, т.е.
5 х 108Ге3/2п;1/2 > 1. (2.58)
В частично ионизованной плазме кроме условия (2.58) необходимо, чтобы длина свободного пробега электронов значительно превосходила деба-евский радиус, что при ~ пе сводится к условию
1 х 103де(Тепе)1/2 «С 1, (2.59)
где сге = тах((7ег', сгеп).
Кроме того, следует иметь в виду, что коллективное взаимодействие будет проявляться, если длина столкновительной диссипации энергии пучка Ль ~ {ёь/иУь/щ) превосходит характерное расстояние развития пучковых колебаний (~ гг,7-1).
При соблюдении условий (2.56) - (2.59) энергия, передаваемая электронному газу от пучка в колебаниях с амплитудой Егп, может быть оценена с помощью формулы [4]:
(2.60) аг уь 4-7Г
где уд - групповая скорость волнового пакета.