Экспериментальное изучение электронно горячей компоненты микроволнового разряда с локальными зонами ЭЦР

Представленные в работе экспериментальные и численные результаты свидетельствуют, что вариация градиента магнитного поля в зоне ЭЦР позволяет эффективно управлять температурой горячей электронной компоненты плазмы микроволнового разряда....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2000
Автори:	Андреев, В.В., Умнов, А.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2000
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Газовый рaзряд, ППР и их применения
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/81615
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Экспериментальное изучение электронно горячей компоненты микроволнового разряда с локальными зонами ЭЦР / В.В. Андреев, А.М. Умнов // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 1. — С. 71-73. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-81615
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-816152015-05-19T03:02:29Z Экспериментальное изучение электронно горячей компоненты микроволнового разряда с локальными зонами ЭЦР Андреев, В.В. Умнов, А.М. Газовый рaзряд, ППР и их применения Представленные в работе экспериментальные и численные результаты свидетельствуют, что вариация градиента магнитного поля в зоне ЭЦР позволяет эффективно управлять температурой горячей электронной компоненты плазмы микроволнового разряда. 2000 Article Экспериментальное изучение электронно горячей компоненты микроволнового разряда с локальными зонами ЭЦР / В.В. Андреев, А.М. Умнов // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 1. — С. 71-73. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/81615 533.9 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Газовый рaзряд, ППР и их применения Газовый рaзряд, ППР и их применения
spellingShingle	Газовый рaзряд, ППР и их применения Газовый рaзряд, ППР и их применения Андреев, В.В. Умнов, А.М. Экспериментальное изучение электронно горячей компоненты микроволнового разряда с локальными зонами ЭЦР Вопросы атомной науки и техники
description	Представленные в работе экспериментальные и численные результаты свидетельствуют, что вариация градиента магнитного поля в зоне ЭЦР позволяет эффективно управлять температурой горячей электронной компоненты плазмы микроволнового разряда.
format	Article
author	Андреев, В.В. Умнов, А.М.
author_facet	Андреев, В.В. Умнов, А.М.
author_sort	Андреев, В.В.
title	Экспериментальное изучение электронно горячей компоненты микроволнового разряда с локальными зонами ЭЦР
title_short	Экспериментальное изучение электронно горячей компоненты микроволнового разряда с локальными зонами ЭЦР
title_full	Экспериментальное изучение электронно горячей компоненты микроволнового разряда с локальными зонами ЭЦР
title_fullStr	Экспериментальное изучение электронно горячей компоненты микроволнового разряда с локальными зонами ЭЦР
title_full_unstemmed	Экспериментальное изучение электронно горячей компоненты микроволнового разряда с локальными зонами ЭЦР
title_sort	экспериментальное изучение электронно горячей компоненты микроволнового разряда с локальными зонами эцр
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2000
topic_facet	Газовый рaзряд, ППР и их применения
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/81615
citation_txt	Экспериментальное изучение электронно горячей компоненты микроволнового разряда с локальными зонами ЭЦР / В.В. Андреев, А.М. Умнов // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 1. — С. 71-73. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT andreevvv éksperimentalʹnoeizučenieélektronnogorâčejkomponentymikrovolnovogorazrâdaslokalʹnymizonamiécr AT umnovam éksperimentalʹnoeizučenieélektronnogorâčejkomponentymikrovolnovogorazrâdaslokalʹnymizonamiécr
first_indexed	2025-07-06T06:48:43Z
last_indexed	2025-07-06T06:48:43Z
_version_	1836879212804308992
fulltext	ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ 2000. №1. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (2), с. 71-74. 71 УДК 533.9 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО ГОРЯЧЕЙ КОМПОНЕНТЫ МИКРОВОЛНОВОГО РАЗРЯДА С ЛОКАЛЬНЫМИ ЗОНАМИ ЭЦР В.В.Андреев , А.М.Умнов Российский университет дружбы народов, Москва, Россия vandreev@ mx.pfu.edu.ru Представленные в работе экспериментальные и численные результаты свидетельствуют, что вариация градиента магнитного поля в зоне ЭЦР позволяет эффективно управлять температурой горячей электронной компоненты плазмы микроволнового разряда. 1.Введение Повышенный интерес к микроволновым ЭЦР- разрядам связан с возможностями создания плазмы с достаточно высокой плотностью при низком давлении рабочего газа и эффективного контроля за ее электронной температурой в широком диапазоне вплоть до сотен кило-электронвольт, что актуально для широкого спектра прикладных задач [1,2,3]. В большинстве работ исследовался ЭЦР-разряд малого объема, что накладывает ограничения на время жизни частиц. Это, в свою очередь, налагает ограничения на осуществление в плазме процессов с малым эффективным сечением. Данная работа посвящена изучению характерных особенностей высокочастотного ЭЦР-разряда в цилиндрическом резонаторе на моде ТЕ118, линейные размеры которого много больше длины волны поддерживающего микроволнового поля. 2.Экспериментальная установка и зезультаты Эксперименты проводились на установке, пред- ставляющей собой осесимметричную систему, в которой вакуумный высокочастотный ТЕ118 резонатор симметрично помещен в магнитное поле пробочной конфигурации (рис.1). Рис.1 а- экспериментальная установка, б- продольный профиль магнитного поля Основные параметры эксперимента: рабочая частота СВЧ генератора..................... 2.45 ГГц длительность импульса СВЧ .............................600 мкс мощность генератора ..........….............................300 Вт давление фонового газа ( Ar )..............(0.8:1)10-5 Торр длина ловушки .......................................................80 см пробочное отношение ................................................1.2 импульсная инжекция......................внешний плазмен- но-пучковый разряд режим работы .................... периодический (частота следования - 40 Гц) Измерение КСВ высокочастотного тракта позволило определить пространственное положение зон поглощения СВЧ-мощности при выполнении условий ЭЦР, а также определить эффективность поглощения энергии падающей волны плазмой. Для определения пространственного поло-жения зон поглощения резонатор возбуждался от маломощного генератора и осуществлялась внешняя приосевая инжекция плазмы. В качестве инжектора использовался плазменно-пучковый разряд (катод - LaB6). Подача импульсного напряжения на вы- тягивающую систему электродов позволяла осу- ществлять импульсную приосевую инжекцию плазмы в резонатор. При изменении профиля магнитного поля, за счет вариации тока в соленоидах условие ЭЦР выполнялось в равноотстоящих от центральной плоскости установки пучностях электрического поля стоячей электромагнитной волны. Проведенные измерения показали наличие четырех эффективных режимов поглощения, зави- сящих от профиля магнитного поля и от про- странственного положения ЭЦР-плоскостей в пре- делах резонатора. Сопоставление проведенных ранее измерений пространственного распределения магнитного поля в пределах резонатора с полученными экспериментальными результатами позволило достаточно точно определить положение зон поглощения СВЧ-энергии, которые совпали с положением максимумов электрического поля стоячей волны ТЕ118 ( по четыре максимума справа и слева от центральной плоскости резонатора). При запитке резонатора от мощного магнетрона было установлено существование трех эффективных режимов ЭЦР- разряда. Эти режимы соответствовали выполнению условий ЭЦР в трех первых максимумах электрического поля СВЧ-волны (отсчет от торцевых стенок резонатора) по мере смещения зоны ЭЦР за счет изменения профиля магнитного поля к центру 72 установки. Они соответственно были названы режимами 1, 2, 3 соответственно. Было установлено, что поглощение СВЧ-мощности возрастает по мере смещения ЭЦР-плоскости в область с большим градиентом магнитного поля (т.е. от режима 3 к режиму 1). В этих режимах разряд характеризуется наличием интенсивного рентгеновского излучения. Диагностика электронно-горячей компоненты плазмы осуществлялась по тормозному излучению с помощью сцинтилляционного детектора (NaITl, 25х25), снабженного коллимационной системой. Регистрация рентгеновского излучения осуществлялась в радиальном по отношению к магнитному полю направлении с помощью рентгеновского спектрометра, размещенного в центральной плоскости установки. Коллимация регистрируемого излучения позволила определить спектр тормозного излучения только с рабочего газа (Ar) в различных режимах. Нами были исследованы свойства спектров этого излучения в диапазоне 2 - 0.4 А0.. Диагностика осуществлялась как в спектрометрическом, так и в радиометрическом режимах. Температура горячей электронной компоненты плазмы определялась путем обработки спектров излучения получаемых с помощью анализатора импульсов АИ - 1024, по наклону линейного участка зависимости логарифма интенсивности излучения от энергии квантов излучения. Калибровка рентгеновского спектрометра в спектрометрическом и радиометрическом режимах осуществлялась по комплекту образцовых источников гамма излучения (ОСГИ-10). В условиях эксперимента регистрация излучения осуществлялась с газа, когда оно обусловлено в большей части взаимодействием электронов с нейтральными атомами. В этом случае число регистрируемых в определенном энергетическом интервале фотонов, в предположении максвелловского распределения электронов может быть определено согласно [4]. ,/.)2/( )2/exp(1069.1)( 3 0 12/1215 кэВсмсфотонTEK TEENnTZE ⋅ ×−⋅= −−−η где N- и n- плотности нейтральных атомов с атомным номером Z и горячей электронной компоненты соответственно, см-3; Тe - температура горячей электронной компоненты, кэВ; K0(ξ) - функция Бессе- ля, которая в нашем случае принимает значение - 0.1. Эта формула применима при условии 2πZe2/hv << 1, где h - постоянная Планка и v - скорость электронов, что выполнимо в случае проводимых экспериментов. При вычислении плотности горячей электронной компоненты по числу регистрируемых детектором квантов необходимо учесть величину телесного угла коллиматора блока детектирования. Тогда число фотонов, регистрируемых детектором из объема плазмы V под телесным углом ω, составляет Vkt ⋅⋅⋅⋅= ωπηη /4det , где к- коэффициент, характеризующий эффектив- ность регистрации рентгеновского детектора в заданном диапазоне энергии; t - эффективное время регистрации излучения. В условиях проводимых экспериментов t=0.11 с (длительность СВЧ импульсов - 600 мкс, частота повторения - 40 Гц, время экспозиции - 40.96 с), к - 0.92, ω - 7 10-3ср, V - 621 см3.. При расчетах считается, что рентгеновское излучение, испускаемое плазмой, является изотропным. Факт изотропности рентгеновского излучения при ЭЦР неоднократно отмечался в большинстве экспериментов. В работе [5] указывается на анизотропию рентгеновского излучения в случае высоких СВЧ-мощностей, где температура и интенсивность рентгеновского излучения в продольном по отношению к силовым линиям магнитного поля направлении выше, чем в поперечном направлении. Снижение СВЧ мощности приводит к изотропизации регистрируемого излу- чения. Необходимо также отметить, что в указанной работе регистрация производилась из зоны ЭЦР- нагрева. В обсуждаемых же экспериментах регистра- ция излучения производилась из центра магнитной ловушки, в то время как зоны ЭЦР были лока- лизованы вне поля зрения рентгеновского датчика. Типичная гистограмма интенсивности рентгеновского излучения от энергии и ее логарифм ln I(W) от энергии W приведены на рис. 2. Рис.2 0 20 40 60 80 1 Nф , [отн. ед.] We, [кэВ] 0 20 40 60 80 ln(Nф) We, [кэВ] 73 . Рис. 3. Зависимость температуры от давления . 1, 2, 3 – режимы, соответственно Рис. 4. Зависимость плотности от давления. 1, 2, 3 – режимы, соответственнo Анализ полученных спектров и измерения в радиометрическом режиме показали, что наиболее интенсивным является режим 1, при котором условие ЭЦР осуществляется в областях ближних к торцам резонатора максимумов электрического поля. Так, для фиксированного значения давления 5*10-5 Торр отношение интенсивностей тормозного излучения для указанных режимов составило: I1/I2 =10 ; I1/I3 = 20 . Одновременное измерение КСВ микроволнового тракта, характеризующее эффективность поглощения энергии СВЧ плазмой, показало, что по мере перехода от одного режима к другому (1 – 2 – 3) уровень отраженной мощности изменяется от 18% в режиме 1 до 50% в режиме 3 . Следует также отметить, что указанные режимы соответствуют различным градиентам магнитного поля в пределах резонансной зоны : 1-й – 22Гс/см, 2-й – 19 Гс/см, 3-й – 6 Гс/см. На рис 3 приведены зависимости температуры горячей электронной компоненты Те от давления рабочего газа для указанных режимов. Из этих графиков видно, что наиболее "горячим" является первый режим. Плотность горячей электронной компоненты плазмы также определялась из обработки спектров рентгеновского излучения. Результаты представлены на рис. 4. Из приведенной зависимости следует, что наибольшее значение плотности достигается в первом режиме. Кроме того, была изучена зависимость интенсивности тормозного излучения от длительности СВЧ импульса [6]. Измерения показали, что при длительностях меньших 200 мкс, плазма характеризуется отсутствием тормозного излучения при данном уровне СВЧ мощности, что согласуется с результатами работы [4]. Численное моделирование проведенное по методу частиц в ячейке дало качественное подтверждение полученным экспериментальным результатам. Так средняя энергия горячей электронной компоненты при градиенте магнитного поля - 30 Гс/см в зоне ЭЦР составила - 15 кэВ. Тогда, как в случае более низких значений градиентов (ед. Гс/см), средняя энергия не превышала 3-4 КэВ. 3.Выводы Анализ экспериментальных и численных результатов показал, что вариация профиля магнитного поля в зоне ЭЦР позволяет эффективно управлять температурой горячей компоненты. Работа выполнена при поддержке гранта ИНТАС №94.0097. . Литература 1. M.A. Lieberman, A.J. Lichtenberg Principles of plasma discharges and material processing // John Willey & Sons, Inc., 1994. 2. R. Geller Electron Cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas // Institute of Physics Publishing, 1996. 3. M. Bacal, C. Gaudin, A. Bourdier et. al. A compact radiological x-ray source // Nature. 1996,. vol. 384, p.421. 4. H. Ikegami et. al. Generation of energetic electrons by electron cyclotron heating in a magnetic mirror field // Nuclear Fusion. 1973, vol. 13, p. 351. 5. J.L. Shohet Free-free bremsstrahlung from a plasma with anisotropic electron velocity distribution // The Physics of Fluids. 1968, vol. 11(5), p.1065. 6. V.V. Andreev, A.M. Umnov Gyrac-D-0 Relativistic plasma and electron bunches in plasma synchrotron of GYRAC // Plasma Sources Sci. Technol. 1999, vol. 8, p. 479. 1x10-5 1x10-43 4 5 6 7 8 3 2 1 Teh , [кэВ] P0 , [Торр] 1x10-5 1x10-4 1x106 1x107 1x108 1x109 1x1010 32 1 neh , [см -3] P0, [Topp]

Экспериментальное изучение электронно горячей компоненты микроволнового разряда с локальными зонами ЭЦР

Репозитарії

Схожі ресурси