Первые...
Gespeichert in:
| Datum: | 2017 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
2017
|
| Schriftenreihe: | Журнал физики и инженерии поверхности |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/130547 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Первые... / М.В. Сосипатров // Журнал физики и инженерии поверхности. — 2017. — Т. 2, № 2-3. — С. 168-182. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-130547 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1305472018-02-17T03:03:11Z Первые... Сосипатров, М.В. 2017 Article Первые... / М.В. Сосипатров // Журнал физики и инженерии поверхности. — 2017. — Т. 2, № 2-3. — С. 168-182. — рос. 2519-2485 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/130547 ru Журнал физики и инженерии поверхности Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| format |
Article |
| author |
Сосипатров, М.В. |
| spellingShingle |
Сосипатров, М.В. Первые... Журнал физики и инженерии поверхности |
| author_facet |
Сосипатров, М.В. |
| author_sort |
Сосипатров, М.В. |
| title |
Первые... |
| title_short |
Первые... |
| title_full |
Первые... |
| title_fullStr |
Первые... |
| title_full_unstemmed |
Первые... |
| title_sort |
первые... |
| publisher |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| publishDate |
2017 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/130547 |
| citation_txt |
Первые... / М.В. Сосипатров // Журнал физики и инженерии поверхности. — 2017. — Т. 2, № 2-3. — С. 168-182. — рос. |
| series |
Журнал физики и инженерии поверхности |
| work_keys_str_mv |
AT sosipatrovmv pervye |
| first_indexed |
2025-07-09T13:49:04Z |
| last_indexed |
2025-07-09T13:49:04Z |
| _version_ |
1837177447935639552 |
| fulltext |
168
Журнал фізики та інженерії поверхні, 2017, том 2, № 2–3, сс. 168–182; Журнал физики и инженерии поверхности, 2017, том 2, № 2–3, сс. 168–182;
Journal of Surface Physics and Engineering, 2017, vol. 2, No. 2–3, pp. 168–182
© Сосипатров М. В., 2017
55-летию ФТФ ХНУ имени В. Н. Каразина посвящается
ПЕРВЫЕ
М. В. Сосипатров1
В статье «Rotating plasma», опубликованной в Журнале физики и инженерии по-
верхности, 2016, том 1, № 1, подробно описана встреча осенью 1965 года академика
К. Д. Синельникова и инженера-конструктора физико-технического факультета Харьков-
ского государственного университета Алима Михайловича Рожкова, определившая разви-
тие перспективного научного направления на кафедре физики плазмы. Для создания новой
лаборатории деканом факультета Г. А. Милютиным в распоряжение А. М. Рожкова были
направлены три студента 5-го курса, среди которых выделялся Виктор Бителёв, отмеченный
Алимом Михайловичем на лабораторных работах: способен в науках, быстро соображает,
в меру инициативен, рукастый радиолюбитель.
Виктору и был поручен завершающий монтаж, физический пуск, методические измере-
ния на установке «Магнетрон Габора» для создания плазмы в скрещенных электрическом
и магнитном полях. Устройство подробно описано ниже.
В. Бителёв, таким образом, стал первым сотрудником на кафедре, который рядом
с А. М. Рожковым регулярно и последовательно осваивал технику создания «вращающейся»
плазмы.
Дипломную работу Виктор под руководством А. М. Рожкова защитил в декабре 1967 года.
На предложение остаться и продолжить работу на кафедре он ответил вынужденным
отказом — семейные обстоятельства обязывали возвращаться в родной Торжок Подмосковья:
прибавление в семье, жильё от будущего работодателя, предприятия союзного МЭП.
В. И. Фареник к работам по упомянутой тематике был привлечен в начале 1968 года.
В. И. Фареник вспоминает: «Работать будешь здесь, на линзе Габора, Алим Михайлович
завёл меня в «секретную» комнату с установкой. На вопрос о наработках диплома В. Бителёва
ответ был краток, Разберётесь сами! «Сами» — это я, В. Фареник и дипломники того года
Вячеслав Власов и Михаил Пикуль.
После замечания А. М. обратить внимание в килогерцовом частотном спектре враща-
ющейся плазмы на колебания, по характеристикам похожим на циклотронную частоту
ионов и ранее отмеченных, но не изучавшихся на этой установке, вопрос о наработках
Виктора отпал. Группа авторитетов из УФТИ — Владимир Тарасович Толок, Виктор Афа-
насиевич Супруненко и Константин Николаевич Степанов ТРЕБОВАЛИ от нас с А. М. ре-
зультатов по ионно-циклотронным колебаниям в нашей плазме. Нагрев ионной компоненты
на собственных частотах ионов был центральным у термоядерщиков. В бортовом журнале
установки, планшетах с графиками, оставшихся после Виктора, упоминался частотный ди-
апазон в несколько десятков килогерц.»
Ранее перипетии развития исследований резонансной циклотронной неустойчивости во
вращающейся плазме, на долгие годы ставшими основной научной тематикой лаборатории
А. М. Рожкова, изложены подробно, приведём только для удобства читателей список первых
публикаций тех лет.
Уже при подготовке материала к 80-летию со Дня рождения профессора А. М. Рожко-
ва, нам подумалось, что славная анфилада публикаций из почти тысячи наименований
экспериментальной школы физики плазмы Алима Михайловича, его учеников и сорат-
ников первого и второго поколений должна была бы иметь знаковое, заметное начало. А
ответ мы искали, исходя из простого постулата: не могли способнейший студент физтеха
Виктор Бителёв и талантливый физик-экспериментатор Алим Рожков сделать проходной,
рядовой ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ! Даже в начале разработки новой тематики, даже среди
поисков рабочих экспериментальных устройств для создания плазмы в скрещенных полях!
Искать дипломную работу!
1Заместитель Генерального директора, главный инженер ННЦ «ХФТИ», выпускник ФТФ 1972 г., один из ведущих сотрудников лаборатории профессора
А. М. Рожкова в 70–90-х гг., в 1992–1995 гг. — заместитель директора НФТЦ МОН и НАН Украины.
М. В. СОСИПАТРОВ
169ЖФІП ЖФИП JSPE, 2017, т. 2, № 2–3, vol. 2, No. 2–3
Более года заняли поиски в архивах, кипах многолетней давности бумаг. И, как
не редко бывает, искомый объект оказался почти под рукой почетного пенсионера,
бывшего главного инженера крупного предприятия электронной промышленности
Виктора Борисовича Бителёва. Среди инфарктов и прочих спутников нелёгкого
трудового пути, в домашней кладовой был найден дипломный труд пятидесятилетнего
возраста.
Младший Бителев проявил чудеса фотоискусства и владения эфиром интернета, а редак-
ционная группа «физики и инженерии поверхности» привела к журнальным стандартам
присланный материал, который мы имеем возможность представить ниже.
Приводим для идентификации материала ксероксную фотокопию титульной страницы
дипломной работы В. Бителёва.
Далее следует точная копия текста этой работы, без правок стиля или «осовременивания».
Рисунки сделаны на основе соответствующих фотографий, осциллограммы скопированы
с оригинального фотоматериала.
Редация позволила себе вынести тему дипломной работы в название всего материала
и составить авторский коллектив истиных исполнителей первой работы в области вра-
щающейся плазмы в Харьковском университете, положившей начало развитию одного из
продуктивнейших научно-прикладных направлений на физико-техническом факультете
ХНУ им. В. Н. Каразина.
Из перечня научных и учебно-методических работ
Фареника Владимира Ивановича
№
п/п Название Характер
работы Выходные данные Соавторы
1 2 3 4 5
1.
Резонансное
возбуждение ионно-
циклотронных
колебаний во
вращающейся плазме
печат. «Письма в ЖЭТФ», 10,
вып. 2,71. 1969
Рожков А. М.
Степанов К. Н.
Супруненко В. А.
Власов В. В.
2.
Резонансная
циклотронная
неустойчивость во
вращающейся плазме
печат.
Ротапринт ФТИ АН
УССР, ХФТИ 69-35,
Харьков, 1969
Рожков А. М.
Степанов К. Н.
3.
Резонансное
возбуждение иoнно-
циклотронных
колебаний в плазме,
находя щейся
в скрещенных
электрическом
и магнитном полях
печат. УФЖ, 14, вып. 2, 1856,
1969
Власов В. В.
Рожков А. М.
Степанов К. Н.
Супруненко В. А.
4.
Cyclotron resonanse
instability in rotating
plasma
печат. Plasma Physics, 12, 519,
1970
Rozkov A. M.
Stepanov K. N.
Suprunenko V. A.
Vlasov V. V.
5.
Исследование
возбуждения ионно-
циклотронных
колебаний в плазме,
на ходящейся
в скрещенных
электрическом
и магнитном полях
печат.
Сб. «Физика плазмы и
проблемы управляемого
термоядерного
синтеза», вып. 1. из-во
«Наукова думка», Киев,
1971
Рожков А. М.
Степанов К. Н.
Супруненко В. А.
6.
Резонансная
циклотронная
неустойчивость во
враща ющейся плазме
печат.
Сб. «Физика плазмы и
проблемы управляемого
термоядерного синтеза»
вып. 3, стр.193, из-во
«Наукова думка», Киев,
1972
Рожков А. М.
Степанов К. Н.
Супруненко В. А
ПЕРВЫЕ
170 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2017, т. 2, № 2–3, vol. 2, No. 2–3
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ИССЛЕДОВАНИЙ КИНЕТИКИ ПЛАЗМЫ,
НАХОДЯЩЕЙСЯ В СКРЕЩЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ
В. Б. Бителев, А. М. Рожков
М. В. СОСИПАТРОВ
171ЖФІП ЖФИП JSPE, 2017, т. 2, № 2–3, vol. 2, No. 2–3
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в экспериментах,
связанных с управляемым термоядерным
синтезом, большое внимание уделяется изу-
чению физики процессов в плазме, находя-
щейся в комбинированных электрическом
и магнитном полях.
В связи с этим особую актуальность при-
обретают эксперименты по изучению кол-
лективных взаимодействий в ограниченной
плазме.
Актуальность и научный интерес к иссле-
дованиям коллективных процессов продик-
тован следующим: во-первых, имеющиеся
экспе римен тальные данные показывают, что
ряд микронеустойчивостей, развивающихся
в плазме, появляется в результате взаимо-
действия пучков заряженных частиц с плаз-
мой. Поэтому дальнейшее изучение физики
процессов, обуславливающих как появление
таких неустойчивостей, так и их срыв, дают
возможность дополнительного уточнения
общей теории устойчивости ограниченной
плазмы, находящейся в различных замкнутых
электромагнитных ловушках.
Во-вторых, нелинейные взаимодействия
в безстолкновительной плазме приводят
к значительному увеличению энергии час-
тиц плазмы. В связи с этим большой интерес
представляет изучение физики таких взаимо-
действий с целью использования этого меха-
низма для нагрева плазмы.
Изучение указанных явлений представляет
значительный научный интерес в связи с раз-
работкой новых методов высокочастотного
нагрева и ускорения частиц.
Особый интерес представляет использова-
ние результатов исследования коллективных
взаимодействий применительно к изуче-
нию физических процессов, протекаю-
щих в сверхвысокочастотных приборах со
скрещенными Е и Н полями (в частности
к исследованию магнетрона). Это важно
с точки зрения теории СВЧ по следующим
причинам. Первое, существующие в настоя-
щее время одно- и двухпоточные теории маг-
нетрона, в основу которых положены работы
Лэнгмюра, Бриллюэна, Хелла, Гринберга,
Харви и др., не дают строго ответа, почему
в реальном магнетроне не выполняется усло-
вие Хелла, по которому выражение
1/2mr2 + 1/2m(Ө)2 + eφ
равно нулю, при φ0 = eB/8m·r2
0(ra/r0 – r0/ra),
где ra и r0 — радиусы анода и катода соответ-
ственно, φ — потенциал анода, B — напря-
женность магнитного поля.
Однако в экспериментах это не под-
тверждается, и работа Хартри показала, что
ни скорость эмиссии, ни краевые эффекты,
ни перенос магнитных силовых линий, ни
пространственный заряд, ни эксцентриситет
катода не могут служить причиной
невыполнения условий Хэлла. Отсюда ста-
новится понятным интерес к исследованию
этого явления с точки зрения взаимодействия
пучков в плазме. Второе, существующие тео-
рии дают расчет порога генерации колебаний
магнетрона, который вообще не подтвержда-
ется экспериментально, и поэтому необходи-
мо новое рассмотрение экспериментальных
характеристик предгенерацонного режима
магнетрона с целью уточнения модели, при-
нятой для теоретических расчетов.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Блок-схема установки, которая использо-
валась для проведения измерений, представ-
лена на рис. 1. В камере 1 расположен гладкий
цилиндрический анод 3 диаметром 45 мм
и длиной 70 мм. На расстоянии 17 мм от
анода установлен петлеобразный катод 2,
представляющий собой вольфрамовую петлю
7 6 6 6
к дифф.
насосу
1
2 3
5
9
11
10
8
4
Рис. 1. Блок схема установки:
1. камера,
2. катод,
3. диод,
4, 5 охранные кольца,
6. катушки основного магнитного поля,
7. катушка вспомогательного магнитного поля,
8. двойной зонд Лэнгмюра,
9. петлевой зонд,
10. штыревой зонд,
11. многосеточный зонд
ПЕРВЫЕ
172 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2017, т. 2, № 2–3, vol. 2, No. 2–3
26 мм. Охранные кольца в области като-
да — 4 и в области виртуального катода — 5
служат для создания лучшей однородности
и симметрии электрического поля.
Магнитное поле в установке созда-
валось четырьмя катушками. Основное
магнитное поле создавалось тремя катушка-
ми 6 с общим количеством витков — 5740.
Ток в катушке вспомогательного поля про-
текает в направлении, противоположном току
в основных катушках.
Подобное направление токов в катушках,
а, следовательно, встречное направление
магнитных полей, а так же соответственное
расположение катушек магнитной системы,
давало возможность расположить катод
системы в плоскости, где магнитное поле
равнялось нулю.
В эксперименте плазма создавалась сле-
дующим образом: электроны, ускоренные
на промежутке анод-катод, из области,
где H = Нмин., попадали в область нарас-
тающего про дольного магнитного поля.
Здесь электрическое поле создает действу-
ющую на электрон силу, не зависящую от
его скорости. Наоборот, магнитное поле
создает силу, которая пропорциональна
как скорости электрона, так и величине
поля, искривляющего движение электрона.
С помощью магнитного поля, достаточ-
но большой напряженности, всегда можно
отклонить траекторию электронов так,
чтобы они не попали на анод. В этом слу-
чае электроны, вместо движения в на-
правлении силовых линий электрического
поля, движутся со скоростью в направле-
нии, перпендикулярном, как электрическому,
так и магнитному полям. Из-за наличия
петлеобразного катода, вынесенного за
пределы анода, движение электронов со-
провождается их перемещением из об-
ласти катода в область виртуального
катода. Электроны при своем движе-
нии ионизуют молекулы остаточного
газа. Облако пространственного заряда
электронов, в принципе, представляют
собой потенциальную яму для этих поло-
жительно заряженных частиц. И это об-
лако можно использовать как ловушку
для ионов с целью дальнейшего нагрева
последних.
Соответственным подбором маг нит ных
полей можно было изменять расположе-
ние плоскости, где магнитное поле рав-
няется нулю, относительно катода. Этим
достигались различные условия инжекции
пучка электронов в продольное магнитное
поле.
Для измерения излучения исполь-
зовались петлевой — 9 и штыревой —
10 зонды. При исследовании формы, частоты
и амплитуды колебаний вдоль продольной
оси системы использовался подвижный
штыревой зонд. При исследовании
ухода электронов и их энергетических спек-
тров использовался многосеточный зонд —
11. Измерение плотности велось двойным
зондом 8. Сигналы с зондов подавались на
осциллографы.
Система откачивалась диффузионным на-
сосом до давления 2·10–6–1·10–5 мм рт. ст.
МЕТОДИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Измерение магнитного поля
Измерение продольного магнитного
поля вдоль оси системы проводилось ме-
тодом баллистического гальванометра от-
дельно для основных и вспомогательных
полей. Соответствующее распределение
продольного магнитного поля для осно-
вного поля представлено на рис. 2а, а для
вспомогательного поля на рис. 2б. Эти ра-
спределения снимались при токе через ка-
тушки равным 1 амперу. По этим данным
можно рассчитать конфигурацию маг-
нитного поля для любых значений токов
в катушках.
Одно из таких распределений супер-
позиции полей, при токе 1 ампер, дано на
рис. 3. Если рассматривать центральную
часть системы, то имеется область, где маг-
нитное поле равно нулю. В обе стороны от
этой точки мы имеем случай нарастания
магнитного поля (по направлению полей
про тивоположное).
Таким образом, катод, расположенный
в этой области, в зависимости от выбранной
величины магнитных полей, может находит-
ся в различных по величине и направлению
магнитных полях. Этим самым достигаются
различные условия инжекции электронного
пучка.
М. В. СОСИПАТРОВ
173ЖФІП ЖФИП JSPE, 2017, т. 2, № 2–3, vol. 2, No. 2–3
Зависимость максимальных значе-
ний магнитного поля от тока даны на рис.
4а, а для основного поля на рис. 4б для
вспомогательного.
Измерение плотности электронов
и электронной температуры
Одной из важных характеристик плазмы
является ее плотность. Для измерения плот-
ности использовался метод двойного зонда
Ленгмюра. Результаты обработки зондовых
характеристик даны на рис. 5. Из полученных
Носн., эрстед
400
200
0 20 40
Z cm
а
б
–100
0
–200
20 40 Z cm
Hвсп., эрстед
Рис. 2. а — распределение основного магнитного
поля вдоль оси системы при токе J = 1 А; б — рас-
пределение вспомогательного магнитного поля вдоль
оси системы при токе J = 1 А
400
200
0
–100
10 30
Z cm
Н, эрстед
Рис. 3. Распределение магнитного поля вдоль оси си-
стемы при токе J = 1 А
Hm осн., эрстед
500
200
0 0,5 1
JA
а
б
Hm всп., эрстед
400
200
0 1 2 3
JА
Рис. 4. График зависимости максимальной величины
вспомогательного магнитного поля от тока в катушке
v
ln∑J3
0,8
0,4
0
–0,8
2010–20–40
12
u3
Рис. 5. Зондовые характеристики. Режимы:
1. UA = 600 V, Нвсп. = 237 эрстед, Носн. = 195 эрстед,
Ne = 2,3·109 частиц/см3, Те = 45 еV;
2. UA = 600 V, Нвсп. = 237 эрстед, Носн. = 219 эрстед,
Ne = 1,76·109 частиц/см3, Те = 60 еV
ПЕРВЫЕ
174 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2017, т. 2, № 2–3, vol. 2, No. 2–3
данных следует, что с изменением осно-
вного магнитного поля имеет место, как
изменение электронной температуры, так
и изменение плотности электронов. Так
как эти два измерения проводились вбли-
зи границы электронного облака в области
виртуального катода, то можно видеть, что
при возрастании магнитного поля происхо-
дит сжатие облака. Измерения показали, что
температура электронов порядка нескольких
десятков электрон-вольт, а плотность частиц
порядка нескольких единиц, умноженных на
109см–3. Эти измерения носят чисто
оценочный характер, поскольку провес-
ти исследование распределения плотности
внутри облака зондовым методом затрудни-
тельно, так как внесение зонда в облако при-
водит к искажениям в структуре его полей,
что проявляется в виде изменения спектра
генерируемых частот. Кроме того, в слу-
чае генерации, зонд начинает работать как
штыревая антенна. Это делает зондовые из-
мерения недостаточно точными.
Исследование токовых характеристик
Особенностями систем со скрещенными
Е и Н полями является то, что анодный ток
при некотором фиксированном анодном
напряжении, с увеличением напряженности
магнитного поля и достижением им некото-
рой величины Нкр, резко спадает до некото-
рой минимальной величины. Это объясняется
тем, что траектория пучка электронов, по-
павшего в скрещенные Е и Н поля, искрив-
ляется. При достаточно больших величинах
Н > Нкр происходит такое искривление тра-
ектории электронов, что последние не могут
достигнуть анода и приходят во вращатель-
ное движение. В наших условиях в силу гео-
метрии электрического поля, происходит,
кроме закручивания еще и движение в про-
дольном направлении. В результате этого
электроны движутся по замкнутым траекто-
риям, ионизируя молекулы остаточного газа.
Таким образом, режим, при котором
анодный ток достигает минимального зна-
чения, является режимом, при котором про-
исходит образование нескомпенсированной
плазмы. Проверка кривых анодного тока по-
зволяет найти те значения магнитного поля,
при которых происходит процесс создания
нескомпенсированной плазмы.
В нашей работе было рассмотрено
сорок режимов. Результаты этих измерений
представлены на рис. 6, 7. На всех графиках
видно изменение величины анодного тока при
JA
0
200
mA
2
4
400
Hосн.
эрстед
5
4
3
2
1
Hвсп. — 92 эрстед
а
в
JA mA
4
2
0 200 400
Hосн.
эрстед
Hвсп. — 185 эрстед
5
4
3
2
1
JA mA
4
2
0 200 400
Hосн.
эрстед
Hвсп. — 139 эрстед
5
4
3
2
1
б
г
JA mA
4
2
0 200 400
Hосн.
эрстед
Hвсп. — 237 эрстед
5
4
3
2
1
Рис. 6. Токовые характеристики. Режимы: 1. UA = 300 V; 2. UA = 400 V; 3. UA = 500 V; 4. UA = 600 V;
5. UA = 800 V
М. В. СОСИПАТРОВ
175ЖФІП ЖФИП JSPE, 2017, т. 2, № 2–3, vol. 2, No. 2–3
достижении некоторой величины Нкр. Расс-
матривая кривые рис. 6, 7, можно отметить
следующее: с ростом анодного напряжения,
ток на анодах при Н > Нкр возрастает (кривые
1, 2, 3, 4, 5 сняты при разных, возрастающих
значениях анодного напряжения). Так же,
если рассматривать режимы при различных
Нвеп (т. е. при различных условиях инжек-
ции электронного пучка), можно отметить
зависимость скорости спада анодного тока
от Нвеп.
Для ряда режимов, при подходе Н к Нкр,
на токовых характеристиках имеются осо-
бенности, природа которых пока что не
выяснена.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
РЕЗУЛЬТАТЫ
Все эксперименты, проведенные на уста-
новке со скрещенными Е и Н полями,
можно условно разделить на три основные
части:
1. эксперименты по изучению устойчивос-
ти нескомпенсированного плазменного
облака;
2. эксперименты по изучению условий
нагрева ионов и электронов в элек-
тромагнитной ловушке;
3. эксперименты по исследованию высоко-
частотных спектров колебаний из облака
нескомпенсированной плазмы и взаимо-
действия волн в плазме.
Ниже в такой же последовательнос-
ти излагаются основные результаты этих
экспериментов.
Результаты экспериментов
по изучению устойчивости
нескомпенсированного плазменного
облака
Устойчивость облака нескомпенсирован-
ной плазмы в устройствах со скрещенными
Е и Н полями определяется, как правило от-
сутствием или наличием колебательных
процессов. Эти процессы, как показали тео-
ретические работы 4, 5, 6, вызываются авто-
модумяцией плотности пучка заряженных
частиц с последующим усилением коле-
баний в результате взаимодействия пучка
с плазмой. В ряде экспериментальных работ
7, 8 было показано, что при прохождении
4
2
0
Hосн.
эрстед200 400
JA mA
Hвсп. — 278 эрстед
5
4
3
2
1
а
в
JA mA
4
2
200 400
Hосн.
эрстед
Hвсп. — 463 эрстед
5
4
3
2
1
JA mA
4
2
0 200 400 эрстед
Hосн.
Hвсп. — 370 эрстед
5
4
3
2
1
б
г
JA mA
4
2
0 200 400
Hосн.
эрстед
Hвсп. — 555 эрстед
5
4
3
2
1
Рис. 7. Токовые характеристики. Режимы: 1. UA = 300 V; 2. UA = 400 V; 3. UA = 500 V; 4. UA = 600 V;
5. UA = 800 V
ПЕРВЫЕ
176 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2017, т. 2, № 2–3, vol. 2, No. 2–3
пучков заряженных частиц через плазму
в ней развивается пучковая неустойчивость.
Как правило, эта неустойчивость сопро-
вождается высокочастотным излучением
из плазмы. Идентифицируя начало колебаний
в плазме с началом развития неустойчивости,
можно, изучая высокочастотное излучение из
плазмы, определять развитие неустойчивости
или ее срыв. В этой связи мы проводили изме-
рения интегральных спектров (без разделения
частот) шумов из плазмы в зависимости от
различных параметров электрического и маг-
нитного поля, от различных условий инжекции
электронного пучка в продольное магнитное
поле. На рис. 8 представлены результаты
этих измерений. Из них видно, что а) обла-
ко нескомпенсированной плазмы генерирует
высокочастотные колебания практически во
всем интервале значений магнитного поля;
б) изменение положения плоскости Бриллюэна
(т. е. изменение условий инжекции электронного
пучка) приводит к значительным структурным
перестройкам спектра высокочастотного из-
лучения и к сдвигу начала генерации область
больших магнитных полей.
В результате экспериментов было установ-
лено, что с началом генерации облако неском-
пенсированной плазмы начинает распадаться
и в связи с этим изменяется анодный ток при
постоянных значениях электрического и маг-
нитного полей.
Это подтверждается осциллограммой на
рис. 9. Здесь на верхнем луче сигнал от де-
тек тора излучения из плазмы, а на ниж-
нем — колебания анодного тока. Из рис. 9
видно, что начало колебаний анодного тока
10
5
0 200 400 эрстед
Hосн.
А отн. ед.
Hвсп. — 92 эрстед
а
в
А отн. ед.
10
5
0 200 400 эрстед
Носн.
Hвсп. — 370 эрстед
А отн. ед.
15
10
5
0 200 400 эрстед
Hосн.
Hвсп. — 185 эрстед
б
г
А отн. ед
10
5
0 200 400 эрстед
Hосн.
Hвсп. — 555 эрстед
Рис. 9. Осциллограмма В4-излучения (верхний луч)
и колебаний анодного тока (нижний луч)
Рис. 8. Интегральные спектры излучения. UA = 100 V
М. В. СОСИПАТРОВ
177ЖФІП ЖФИП JSPE, 2017, т. 2, № 2–3, vol. 2, No. 2–3
и начало генерации из плазмы хорошо совпа-
дают. Вероятно, в процессе генерации за счет
нелинейных эффектов в плазме, некоторая
часть элек тронов приобретает такую энергию,
которая позволяет им уйти на анод при дан-
ном соответствии между электрическим
и магнитным полями.
Экспериментальные результаты по
изучению условий нагрева электронов
в электромагнитной ловушке
Как указывалось выше, облако простран-
ственного заряда нескомпенсированной
плазмы, в принципе, представляет собой ло-
вушку для положительно заряженных час-
тиц. В связи с этим, на ряду с экспериментами
по устойчивости плазмы в такой ловушке,
нами проводились эксперименты по изуче-
нию условий нагрева частиц в такой ловушке.
В проведенных опытах было обнаружено, что
с началом генерации из плазмы вдоль магнит-
ного поля наблюдался уход электронов в за-
висимости от величины магнитного поля при
различных ускоряющих напряжениях
см. рис. 10:
1. Кривые ухода электронов имеют по-
роговый резонансный характер;
2. С ростом ускоряющего напряжения коли-
чество электронов, уходящих вдоль маг-
нитного поля, возрастает;
3. С изменением условий инжекции
(т. е. с изменением положения плоскости
Бри ллюэна) начало ухода частиц пере-
мещается в сторону больших значений
магнитного поля;
4. Начало ухода электронов вдоль магнитно-
го поля практически совпадает с началом
генерации высокочастотных колебаний из
плазмы.
Jух. µА
100
50
0 200 400 эрстед
Носн.
Hвсп. — 92 эрстед
4
3
2
1
а
в
Jух. µА
200
100
0 200 400 эрстед
Носн.
Hвсп. — 370 эрстед
4
3
2
1
Jух. µA
Hвсп. — 185 эрстед
100
50
0 200 400 эрстед
Носн.
4
3
2
1
б
г
Jух. µА
200
100
0 200 400 эрстед
Носн.
Hвсп. — 555 эрстед
4
3
2
1
Рис. 10. Уход электронов вдоль магнитного поля. Режимы: 1. UA = 300 V; 2. UA = 400 V; 3. UA = 500 V;
4. UA = 600 V
ПЕРВЫЕ
178 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2017, т. 2, № 2–3, vol. 2, No. 2–3
Одновременно с уходом электронов на
осциллограммах колебаний из плазмы на-
блюдались нелинейные искажения ам пли туды.
На рис.11 представлены типичные ос-
циллограммы таких нелинейных ис кажений.
Можно предположить, что электроны,
уходящие через торец системы, получают
добавку энергии в результате взаимодей-
ствия с медленной продольной волной. Такой
эффект, согласно работе 6, возможен при
условии
2
ф ф/ / 2 1eV V eE V ,
где Ve — скорость электрона, Vф — фазо-
вая скорость волны, l — длина волны,
Е — напряженность электрического поля
волны в плазме.
Исходя из этого, нами были измерены
электрические спектры электронов, ухо-
дящих вдоль магнитного поля (рис. 12)
и зависимость энергии этих электронов
от ускоряющего напряжения (рис. 13).
Энергетический спектр электронов
измерялся в области, где отсутствует тор-
мозящий потенциал анода, т. е. измеря-
лись электроны, энергия которых Ее > еUA.
На рис. 12 видно, что энергия уходящих
электронов превышает величину еUA на 50–
100 электрон-вольт.
Зависимость энергии уходящих элек-
тронов от ускоряющего напряжения (рис. 13)
а б
Рис. 11. Осциллограммы нелинейных эффектов. а — излучение соответствует рис. 10, Нвсп. = 278 эрстед,
кривая 1; б — излучение соответствует рис. 10, Нвсп. = 278 эрстед, кривая 3
J3 µA
30
10
0 40 80
3
2
1
U3, V
а
J3 µA
18
6
0 40 80
4
3
2
1
U3, V
б
Рис. 12. Энергетический спектр электронов, уходящих вдоль магнитного поля. Режим: а. 1. UA = 600 V,
Нвсп. = 278 эрстед, Носн. = 192 эрстед; 2. UA = 600 V, Нвсп. = 278 эрстед, Носн. = 168 эрстед; 3. UA = 600 V,
Нвсп. = 278 эрстед, Носн. = 109 эрстед; б. UA = 500 V, Нвсп. = 278 эрстед. 1. Носн. = 102 эрстед, 2. Носн. = 121 эрстед,
3. Носн. = 153 эрстед, 4. Носн. = 73 эрстед
М. В. СОСИПАТРОВ
179ЖФІП ЖФИП JSPE, 2017, т. 2, № 2–3, vol. 2, No. 2–3
показывает, что наблюдается сильный рост
энергии уходящих электронов от энергии
первичного пучка.
Результаты экспериментов по
исследованию высокочастотных
спектров колебаний из области
нескомпенсированной плазмы
и взаимодействию волн в плазме
Как уже упоминалось выше, обла-
ко электронов начинает генерировать
при слабых магнитных полях. Интегральные
спектры изучения, приведенные выше, дей-
ствительно показывают, что в очень широ-
ком диапазоне величин магнитного поля
наблюдается генерация ряда гармоник от
нескольких килогерц до десятков мегагерц.
Измерение отдельных гармоник показало,
что их частоты лежат в интервале 5–100 кГц
по низким частотам и от 1–100 мГц по
высоким.
При изучении интегральных спектров
излучения, вдоль магнитного поля с помо-
щью подвижной штыревой антенны, было
установлено, что изучение носит локальный
характер. Наибольшая интенсивность из-
лучения наблюдалась в области, распо-
ложенной между анодом и виртуальным
катодом. На рис. 14 представлены зависи-
мости амплитуды излучения и распределе-
ние магнитного поля вдоль оси. Из рисунка
так же видно, что максимальная амплитуда
излучения наблюдается на частоте 60–70 кГц,
далее следует спад амплитуды до некоторого
J3 µA
20
0 400 800
, VUA
2
1
а
минимального значения с частотами порядка
7–10 кГц.
Для установления карреляции между за-
висимостью энергии электронов от ускоря-
ющего напряжения и такой же зависимости
амплитуды излучения, нами была измерена
зависимость амплитуды излучения от уско-
ряющего напряжения. Эта зависимость пред-
ставлена на рис. 15. Из хода кривой видно,
что, начиная с некоторого ускоряющего на-
пряжения, амплитуда излучения зависит от
ускоряющего напряжения экспоненциально.
Если сравнивать эту кривую с кривой 2 на
рис. 13 то можно отметить, что зависимость
энергии уходящих вдоль оси электронов
практически растет экспоненциально с рос-
том UA.
Некоторое ослабление роста энергии
электронов с ростом ускоряющего напря-
жения можно объяснить влиянием ионного
тока на результаты измерений, т. к. задержи-
вающий потенциал для ионов в этом случае
отсутствовал.
При изучении выделенных гармоник из-
лучения из плазмы было установлено, что
в исследованном диапазоне частот, послед-
ние линейно зависят от ускоряющего напря-
жения UA. На рис. 16 показана зависимость
частоты исследуемого сигнала из плазмы от
величины ускоряющего напряжения.
В ряде экспериментов наблюдалось вза-
имодействие вводимой высокочастотной
мощности с генерируемой из плазмы. Для
этого от генератора вводилась калиброванная
б
, V
J3 µA
20
0 400 800
UA
1
3
2
Рис. 13. Зависимость энергии ухода электронов от анодного напряжения. а. Режим: Uзонда = –20 V, Нвсп. =
278 эрстед. 1. Носн. = 105 эрстед, 2. Носн. = 136 эрстед. б. Режим: Uзонда = –30 V, Нвсп. = 136 эрстед. 1. Носн. =
278 эрстед, 2. Носн. = 370 эрстед, 3. Нвсп. = 462 эрстед
ПЕРВЫЕ
180 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2017, т. 2, № 2–3, vol. 2, No. 2–3
частота, сравнимая с частотой, генерируе-
мой плазмой, а результирующее излучение
осциллографировалось. На рис. 17 пред-
ставлена типичная осциллограмма этого
эффекта. На рисунках видно, что излучение
на частоте 27 мГц промодулировано излу-
чением частотой 1 мГц при рабочей частоте
внешнего генератора 26 мГц.
Было так же отмечено, что с уменьше-
нием амплитуды калиброванного сигнала
глубина модуляции уменьшается и наоборот.
ВЫВОДЫ
Основные результаты проведенной работы
можно вкратце сформулировать следующим
образом.
300
200
100
0 10 20 Z cm
A
V
0,4
0,2
0 10 20 Z cm
Hосн. — 425 эрстед
Hвсп. — 92 эрстед
UA — 500 V
JA — 0,9 mA
P — 1,3∙10–5 мм Hg
а
б
0
200
100
10 20 Z cm
А
V
0,4
0,2
0 10 20 Z, cm
Hосн. — 30
Нвсп. — 92 эрстед
UA — 500 V
JA — 1 mA
P — 1,3∙10–5 мм Hg
Рис. 14. Зависимость амплитуды излучения и магнит-
ного поля от координаты
А отн. ед. lnA
40
2
20
0 200 600 1000
UA, V
lnA ~ f(UA)
4
Рис. 15. Зависимость амплитуды излучения от анод-
ного напряжения
f мГц
10
5
0 500 1000
UA, V
21
Рис. 16. Зависимость частоты излучения от анодного
напряжения
Рис. 17. Излучение на частоте 27 мГц промодулиро-
вано разностной частотой в 1 мГц при рабочей часто-
те внешнего генератора 26 мГц
М. В. СОСИПАТРОВ
181ЖФІП ЖФИП JSPE, 2017, т. 2, № 2–3, vol. 2, No. 2–3
1. При прохождении электронных пучков
через нескомпенсированную плазму, на-
ходящуюся в скрещенных Е и Н полях,
в плазме развиваются пучковые неустой-
чивости, приводящие к развалу облака
нескомпенсированной плазмы.
2. Развал плазмы и появление неустойчи-
вости сопровождается высокочастотным
излучением в диапазонах частот от 5 до
100 кГц и от 1 до 100 мГц.
3. Появление генерации из облака сопро-
вождается уходом электронов вдоль
магнитного поля, а энергия последних
на 50–100 электрон-вольт больше, чем
энергия инжектированного в плазму
пучка.
4. Было зарегистрировано взаимодей-
ствие внешних калибровочных сигналов
с собственным излучением из плазмы.
В заключении выражаем благодарность за
постоянный интерес к работе В. Т. Толоку
и В. А. Супруненко.
ЛИТЕРАТУРА
1. Русанов В. Д. В Кн. «Современные мето-
ды исследования плазмы». Госатомиздат,
1962 г.
2. Brillovin L. // Phys Rev — 1944. — № 32. —
216 с.
3. Hull A. W. // Phys Rev — 1924. — № 23. —
112 с.
4. Ахиезер А. И., Файнберг Я. Б. // ДАН. —
1949. — № 69. — 559 с.
5. Ахиезер А. И., Файнберг Я. Б. // ЖЭТФ. —
1951. — № 21. — 1262 с.
6. Файнберг Я. Б. // Атомная энергия. —
1959. — № 6. — С. 431–447.
7. Федорченко В. Д., Муратов В. И. Рутке-
вич Б. Н. // Сб. «Физика плазмы и проблемы
управляемого термоядерного синтеза». —
Вып. 3. — 44 с.
8. Супруненко В. А., Файнберг Я. Б., То-
лок В. Т. и др. // Сб. «Физика плазмы и про-
блемы управляемого термоядерного синте-
за». — Вып. 3. — 144 с.
REFERENCES
1. Rusanov V. D. V Kn. «Sovremennye metody
issledovaniya plazmy». Gosatomizdat, 1962 g.
2. Brillovin L. // Phys Rev — 1944. — No. 32. —
216 p.
3. Hull A. W. // Phys Rev. — 1924. — No. 23. —
112 p.
4. Ahiezer A. I., Fajnberg Ya. B. // DAN. —
1949. — No. 69. — 559 p.
5. Ahiezer A. I., Fajnberg Ya. B. // ZhETF. —
1951. — No. 21. — 1262 p.
6. Fajnberg Ya. B. // Atomnaya energiya. —
1959. — No. 6. — P. 431–447.
7. Fedorсhenko V. D., Muratov V. I. Rutke-vich B.
N. // Sb. «Fizika plazmy i problemy upravlyae-
mogo termoyadernogo sinteza». —Vyp. 3. —
44 p.
8. Suprunenko V. A., Fаjnberg Ya. B., Tolok V. T.
i dr. // Sb. «Fizika plazmy i problemy
upravlyaemogo termoyadernogo sinteza». —
Vyp. 3. — 144 p.
Послесловие
В настоящей работе изучаются параметры плазмы, находящейся в скрещенном
электрическом и магнитных полях. При этом создание магнитного поля предоставляет
возможность обеспечивать минимальную величину его напряженности в области инжек-
ции электронного пучка. Это позволяет расширить область параметров взаимодействия
электронных пучков с плазмой. Комплекс результатов, полученных в настоящей работе
с определенностью указывает на развитие пучково-плазменной неустойчивости, впервые
описанной А. И. Ахиезером и Я. Б. Файнбергом.
Особое внимание в дипломной работе было уделено изучению характеристик магнетрона
Габора. И, если «пучковая» научная тематика в такой постановке в дальнейшем группой
А. М. Рожкова не была продолжена, экспериментальная техника для создания вращающейся
плазмы оставила, без преувеличения, богатое наследие на многие годы. Использовались клас-
сические цилиндрические прямой и обращенный магнетроны, ячейка Пеннинга с длинным
анодом, секционированным в различных вариантах, с дополнительным перемещаемым
центральным электродом, разнообразные ионные источники и ускорители со скрещенными
ПЕРВЫЕ
182 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2017, т. 2, № 2–3, vol. 2, No. 2–3
полями, прочее. На этих устройствах, экспериментальных и технологических установках,
оснащенных упомянутыми устройствами и их модификациями, в лаборатории А. М. Рожкова,
в научных подразделениях его учеников и сподвижников выполнены десятки бюджетных
и хозрасчетных работ, защищены около тридцати кадидатских, четыре докторских диссер-
тации по тематике «плазма в комбинированных электрическом и магнитном полях», число
публикаций около тысячи. Смотреть дополненную таблицу из статьи «Rotating plasma»,
Журнал физики и инженерии поверхности, 2016, том 1, № 1.
Соискатель Научный руководитель Год защиты
1. Рожков А. М. Толок В. Т. 1970
2. Фареник В. И. Толок В. Т., Рожков А. М. 1974
3. Власов В. В. Степанов К. Н., Рожков А. М. 1976
4. Пикуль М. И. Достанко А. П. 1976
5. Сосипатров М. В. Рожков А. М. 1979
6. Редванский В. М. Рожков А. М. 1991
7. Маслов А. Рожков А. М. 1982
8. Якимчук Ю. Рожков А. М. 1981
9. Бориско В. Н. Лапшин В. И. 1989
10. Битная И. Лапшин В. И. 1993
11. Лучанинов А. А. Рожков А. М. 1986
12. Петрушеня Бориско В. Н. 2005
13. Середа И. Н. Бориско В. Н. 2006
14. Юнаков Н. Н. Фареник В. И. 1985
15. Бизюков А. А. Луценко Е. И. 1986
16. Зыков А. В. Фареник В. И. 1987
17. Марущенко Н. Фареник В. И. 1989
18. Лисовский В. А. Фареник В. И. 1993
19. Дудин С. В. Фареник В. И. 1995
20. Ушаков А. Фареник В. И. 1997
21. Будянский А. М. Фареник В. И. 1999
22. Положий К. И. Фареник В. И. 2001
23. Яковин С. Д. Фареник В. И. 2002
24. Бизюков И. А. Азаренков Н. А. 2007
25. Кашаба А. Бизюков А. А. 1999
26. Харченко Н. Д. Лисовский В. А. 2011
27. Рафальский Д. Дудин С. В. 2011
28. Коваль В. Лисовский В. А. 2015
Доктора наук: Рожков А. М. — 1984, Бизюков А. А. — 2002, Лисовский В. А. — 2008,
Зыков А. В. — 2017
|