Створення та динаміка негативно заряджених частинок у плазмових електромагнітних уловлювачах

П.3.4 присвячено з'ясуванню можливості керування струмом електронного пучка, що ежектується з пеннінгівського розряду, за рахунок зміни різниці потенціалів між катодами. Встановлено, що при збільшенні негативного потенціалу одного з відбивних катодів струм електронного пучка з протилежного від катода боку розряду зростає. Аналіз експериментальних даних свідчить, що зростання електронного струму в основному відбувається внаслідок збільшення емісії електронів з плазми розряду на радіусі їх викиду, а також відбиття "аномальних" електронів від катода 1, на який подається негативний потенціал. У цьому випадку найбільш вірогідна енергія електронного пучка та розрядний струм практично не змінюються. При подачі позитивного потенціалу на катод 1 можлива струмова компенсація іонного пучка, який ежектується з розряду одночасно з електронним пучком. Аксіальне розташування зони струмової компенсації залежить від величини напруги, що прикладена між катодами.

У п.3.5 подано рекомендації щодо створення ефективного плазмового джерела електронів пеннінгівського типу. Визначено емісійні характеристики фізичної моделі такого джерела електронів. Показано наявність оптимальних зовнішніх параметрів, за яких струм електронного пучка досягає максимальних значень. У джерелі отримані такі характеристики: максимальний струм електронного пучка I = 25 мА, щільність струму в пучку J = 30 40 мА/см², струмова ефективність джерела = 50 % та енергетична ефективність джерела Н = 0,5 мА/Вт.

Розділ четвертий присвячено експериментальному дослідженню формування потоків електронів із плазмового джерела на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом при використанні робочих газів з різними масовими числами та їх суміші, при напрузі, що витягає електрони, порядку декількох сотень вольт в діапазоні тисків робочих газів Р = 10-⁴ - 10-² Тор.

П. 4.1 присвячено дослідженню можливості розширення діапазону робочих параметрів плазмового джерела електронів на основі електрично-несиметричного відбивного розряду за рахунок використання як робочого газу суміші аргону та водню. Встановлено, що застосування суміші аргону і водню дає змогу істотно розширити цей діапазон порівняно з використанням однокомпонентних газів. Розширення робочих параметрів відбувається за рахунок зниження мінімального струму, що ініціює режим порожнистого катода, зниження розрядної напруги та розширення діапазону робочого тиску, за якого можна витягати з джерела електрони без електричного пробою прискорювальних проміжків.

У п.4.2 описані особливості розрядних та емісійних характеристик плазмового джерела електронів на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом при використанні робочих газів з різними масовими числами та їх суміші. Встановлено, що найбільше зростання струму електронного пучка, що витягується, а також струмової й енергетичної ефективності джерела даного типу відбувається при негативному зсуві потенціалу порожнистого катода в випадку використання суміші аргону та водню. При перевищенні струму порожнистого катода та швидкості напуску аргону в катодну порожнину деяких значень, відбувається повне переключення розрядного струму в емісійний канал, і розряд горить при знятій анодній напрузі за рахунок різниці потенціалів між катодами. В даному режимі струмова ефективність джерела може бути близька 100 %. Проведені оцінки на підставі експериментальних даних свідчать, що електронний струм, який витягається з джерела в цьому режимі горіння розряду, обумовлено потоком електронів з катодної порожнини через перетин емісійного отвору у відбивному катоді. Внаслідок іонізації робочого газу електронним пучком при його транспортуванні спостерігається іонізаційне посилення струму пучка. В плазмовому джерелі даного типу в діапазоні тисків робочого газу (суміш аргону і водню) Р = 10-⁴ - 10-² Тор та при напрузі U = 100 - 600 В, що витягає електрони, отримано такі характеристики: максимальний струм електронного пучка I = 0,5 А, густина струму пучка J = 5 А/см², струмова ефективність джерела = 70 % та енергетична ефективність джерела Н = 1 3 мА/Вт.

В п.4.3 наведено осцилограми ВЧ коливань, які обумовлюють модуляцію струму електронного пучка в режимі, коли спостерігається переключення розрядного струму в емісійний канал. Частота цих ВЧ коливань f 1 МГц не залежить від величини магнітного поля і струму електронного пучка. Дані коливання аналогічні коливанням, які описано раніше Груздєвим В.А. і Залесським В.Г. у результаті математичного моделювання еволюції вторинної плазми, що створюється електронним пучком в області емісійного каналу.

Розділ п'ятий присвячено експериментальному вивченню можливості створення ефективного плазмового джерела негативних іонів на базі однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача та плазмового джерела електронів з порожнистим катодом.

В п.5.1 описано параметри потоків заряджених частинок на електроди уловлювача та параметри плазми, яка створюється в уловлювачі методом інжекції електронного пучка з плазмового джерела електронів. Показано, що в об'ємі уловлювача створюється плазма з параметрами, необхідними для утворення негативних іонів (n_o 10¹¹ см-³, T_e 1 еВ). У результаті утримання в уловлювачі низькоенергетичних електронів у його центрі формується область з негативним просторовим потенціалом U -10 В відносно потенціалу стінок робочої камери.

В п.5.2 наведено емісійні характеристики джерела негативних іонів даного типу. Показано, що струм негативних іонів досягає максимуму за оптимального тиску для кожного сорту робочого газу, який може утворювати негативні іони. Вихід негативних іонів зростає при збільшенні потужності електронного пучка, який інжектується в уловлювач, а також при електростатичному запиранні магнітної щілини. Отримано струм негативних іонів водню I = 300 мкА з густиною струму J = 0,7 мА/см². Струмова й енергетична ефективності джерела складали відповідно = 0,1 % та Н = (1 - 2)10-³ мА/Вт. Проведено оцінки впливу основних процесів утворення та руйнування негативних іонів в уловлювачі на струм негативних іонів водню, що витягуються. Порівняння експериментальних залежностей із зробленими оцінками свідчить, що коливальне збудження молекул водню здійснюється, в основному, в плазмовому джерелі електронів.

Висновки

У дисертаційній роботі розглянуто такі питання: динаміка електронів з аномально великою енергією в плазмових системах на основі пастки Пеннінга; формування потоків електронів з плазмового джерела на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом при використанні робочих газів з різними масовими числами та невисоких напруг, що витягують електрони; генерація негативних іонів в плазмовому джерелі на основі однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача та плазмового джерела електронів з порожнистим катодом.

Проведені дослідження дозволяють сформулювати такі висновки:

1. Визначено вплив різних геометричних та зовнішніх параметрів пеннінгівського розряду на його розрядні характеристики при перебудові розряду в режим з ежекцією електронних пучків в аксіальному напрямку. Встановлено, що при використанні більш легкого робочого газу водню, при зменшенні діаметра розрядних електродів, зміні геометрії відбивного катода з циліндричної на плоску, а також при негативному зсуві потенціалу одного із катодів, діапазони зовнішніх параметрів розряду, за яких спостерігається ежекція електронних пучків, поширюються в область більш високих робочих тисків і анодних напруг.

2. Визначено взаємозв'язок між потенціалом плазми в пеннінгівському розряді в області ежекції електронних пучків та виходом "аномальних" електронів з розряду. Встановлено, що при використанні більш легкого робочого газу водню та при негативному зсуві потенціалу одного із катодів спостерігається зниження потенціалу плазми в цій області та збільшення щільності струму електронного пучка, що ежектується в протилежному від
катода напрямку. З'ясовано, що при збільшенні глибини аксіальної потенціальної ями в області ежекції пучка, електрони з аномально великою енергією запираються в розряді. Внаслідок цього щільність плазми в цій області перевищує її величину на осі системи.

3. Встановлено закономірності еволюції в аксіальному напрямку поздовжніх енергетичних спектрів електронного пучка, що ежектується з пеннінгівського розряду. Виявлено і пояснено існування в енергетичних спектрах електронного пучка груп електронів з різною енергією. Показано, що набір "аномальними" електронами додаткової енергії відбувається в аксіальному напрямку від центру розряда та досягає максимальних значень в області відбивних катодів.

4. Запропоновано та експериментально вивчено ефективний спосіб керування струмом електронного пучка, який ежектується з плазми пеннінгівського розряду, шляхом зміни потенціалу між катодами. Показано, що при збільшенні негативного потенціалу одного з відбивних катодів відбувається зростання струму електронного пучка, що ежектується з протилежної від цього катода сторони розряду. Збільшення струму відбувається внаслідок збільшення емісії електронів з плазми розряду на радіусі їх викиду, а також відбиття "аномальних" електронів від катоду, на який подається негативний потенціал.

5. Визначені емісійні характеристики фізичної моделі плазмового джерела електронів пеннінгівського типу. Показано наявність оптимальних зовнішніх параметрів, за яких струм електронного пучка досягає максимальних значень. У джерелі отримані такі характеристики: максимальний струм електронного пучка I = 25 мА, щільність струму в пучку J = 30 40 мА/см², струмова ефективність джерела = 50 %, енергетична ефективність джерела Н = 0,5 мА/Вт.

6. Показано можливість розширення робочих параметрів плазмового джерела електронів на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом за рахунок використання робочого газу суміші аргону і водню в діапазоні тиску робочого газу Р = 10-⁴ - 10-² Тор при напрузі U < 600 В, що витягує електрони. Встановлено, що у порівнянні з використанням однокомпонентних газів, застосування суміші аргону та водню дає змогу знизити розрядну напругу та мінімальний струм, що ініціює режим порожнистого катода, а також істотно розширити діапазон робочого тиску за якого можна ініціювати режим порожнистого катода та витягати з джерела електрони без електричного пробою прискорювальних проміжків.

7. Визначено особливості розрядних і емісійних характеристик плазмового джерела електронів на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом при використанні робочих газів з різними масовими числами та їх суміші. Встановлено, що найбільше зростання струму електронного пучка, що витягується з джерела, а також струмової й енергетичної ефективності джерела даного типу відбувається при негативному зсуві потенціалу порожнистого катода у випадку використання суміші аргону та водню. Визначено режими джерела зі струмовою ефективністю = 70 - 100 %. На основі проведених оцінок показано, що електронний струм, що витягується з джерела в цьому режимі, обумовлено потоком електронів з катодної порожнини через перетин емісійного отвору у відбивному катоді. У плазмовому джерелі даного типу в діапазоні тисків робочого газу (суміш аргону і водню) Р = 10-⁴ - 10-² Тор та при напрузі U = 100 - 600 В, що витягує електрони, отримано такі характеристики: максимальний струм електронного пучка I = 0,5 А, густина струму пучка J = 5 А/см², струмова ефективність джерела = 70 %, енергетична ефективність джерела Н = 1 3 мА/Вт.

8. Визначено параметри плазми й емісійні характеристики фізичної моделі плазмового джерела негативних іонів на основі однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача та плазмового джерела електронів з порожнистим катодом. Показано, що в об`ємі електромагнітного уловлювача за рахунок інжекції електронного пучка з плазмового джерела електронів можна створювати плазму з параметрами, необхідними для утворення негативних іонів. Визначено оптимальні тиски робочих газів. Показано, що вихід негативних іонів зростає при підвищенні потужності електронного пучка, який інжектується в електромагнітний уловлювач, а також при здійсненні електростатичного запирання магнітної щілини уловлювача. В джерелі отримано струм негативних іонів водню I = 300 мкА з густиною струму J = 0,7 мА/см². Струмова ефективність джерела складала = 0,1 %, енергетична ефективність - Н = (1 - 2)10-³ мА/Вт.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Бориско В.Н., Петрушеня А.А., Сосипатров М.В. Технологический плазменный источник электронов // Вопросы атомной науки и техники, Серия "физика плазмы"(2). 1999. №10. С. 15-20.

2. Borisko V.N., Petrushenya A.A., Yunakov N.N. Generation of compensated ion beams from source with oscillating electrons // Вопросы атомной науки и техники, Серия "физика плазмы"(5). 2000. №3. С. 93-95.

3. Бориско В.Н., Петрушеня А.А. Особенности генерации низкоэнергетичных электронных пучков большого сечения из плазменного источника электронов пеннинговского типа // ЖТФ. 2003. Т.73, №1. С. 86-90.

4. Бориско В.Н., Петрушеня А.А. Плазменный источник электронов на основе электрически несимметричного отражательного разряда с полым катодом // Вісник Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна, Серія фізична “Ядра, частинки, поля”. 2002. №559. С. 67-71.

5. Borisko V.N., Petrushenya A.A. Influence of gas mixture with various mass numbers of gases on operation pressure range of plasma electron source with hollow cathode // Вопросы атомной науки и техники, Серия “физика плазмы”(7). 2002. №4. С. 179-181.

6. Petrushenya A.A. and Borisko V.N. Investigation of negative ion generation in a cusp plasma electromagnetic trap with a hollow-cathode Penning source of electrons // Rev. Sci. Instr. 2004. V.75, No.5. P. 1767-1769.

7. Бориско В.Н., Петрушеня А.А., Сосипатров М.В. Плазменный источник электронов // Научно-техническая конференция "Техника и физика электронных систем и устройств". Тезисы докладов, Ч.1. Сумы, Украина, 18-20 мая, 1995. С. 93,94.

8. Borisko V.N., Petrushenya A.A., Sidorenko Yu.V. Penning plasma source of electrons // 23rd IEEE International Conference on Plasma Science. Conference record - abstracts. Boston, USA, June 3-5, 1996. P. 224.

9. Borisko V.N., Petrushenya A.A., Yunakov N.N. Generation of compensation ion beams from source with oscillating electrons // VIII Ukraine Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion. Book of abstracts. Alushta, Ukraine, September 11-16, 2000. P. 109.

10. Бориско В.Н., Петрушеня А.А. Влияние геометрии разрядных электродов на эжекцию электронных пучков из плазменного источника электронов пеннинговского типа // 4 Международный симпозиум Вакуумные технологии и оборудование ISVTE - 4. Раздел 1: Физические явления и процессы в вакууме. Харьков, Украина, 23-27 апреля, 2001. С. 79-82.

11. Borisko V.N., Petrushenya A.A. Influence of gas mixture with various mass numbers of gases on operation pressure range of plasma electron source with hollow cathode // International Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion. Book of abstracts. Alushta, Ukraine, September 16-21, 2002. P. 181.

12. Borisko V.N., Petrushenya A.A. Investigation of negative ion generation in a cusp plasma electromagnetic trap with a hollow-cathode Penning source of electrons // The 10th International Сonference on Ion Sources ICIS 2003. Abstracts. Dubna, Russia, September 8-13, 2003. P. 147.

Анотація

Петрушеня А.А. Створення та динаміка негативно заряджених частинок у плазмових електромагнітних уловлювачах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико - математичних наук за спеціальністю 01.04.08 - фізика плазми. - Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2005.

Дисертацію присвячено експериментальному дослідженню створення та динаміки електронів і негативних іонів у плазмових джерелах на основі пастки Пеннінга та однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача. Експериментально встановлено особливості еволюції в аксіальному напрямку повздовжніх енергетичних спектрів електронного пучка, що ежектується з плазмових систем пеннінгівського типу. Визначено ефективний спосіб керування струмом пучка електронів, що ежектується. Експериментально визначені особливості емісійних і розрядних характеристик плазмового джерела електронів на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом при використанні як робочих - газів з різними масовими числами та їх суміші. Експериментально доказана можливість генерації негативних іонів у плазмовому джерелі негативних іонів на основі однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача та плазмового джерела електронів.

Ключові слова: гострокутний електромагнітний уловлювач, розряд Пеннінга, аномальні електрони, порожнистий катод, негативні іоні, плазмове джерело.

Annotation

Petrushenya А.А. Formation and dynamics of negative charged particles in plasma electromagnetic traps. - Manuscripts.

Thesis for the scientific degree of Candidate of Science in Physics and Mathematics by speciality 01.04.08 - Plasma Physics. - Karazin Kharkov National University, Kharkov, 2005.

The dissertation is devoted to the experimental investigations of formation and dynamics electrons and negative ions in plasma sources on the basis of a Penning trap or a single - cusp electromagnetic trap. The peculiarities of axial evolution of longitudinal energy specters of electron beam ejected from plasma systems of penning type have been determined experimentally. An effective method to control the current of the electron beam ejected from penning discharge has been found. The peculiarities of emission and discharge characteristics of a plasma source of electrons on the basis of an electrically asymmetric reflex discharge with hollow cathode have been studied experimentally under using of operation gases with various mass numbers. The possibility of effective generation of negative ions in a plasma source of negative ions on the basis of a single-cusp electromagnetic trap and a plasma source of electrons has been demonstrated experimentally.

Key words: cusp electromagnetic trap, penning discharge, anomalous electrons, hollow cathode, negative ions, plasma source.

Аннотация

Петрушеня А.А. Образование и динамика отрицательно заряженных частиц в плазменных электромагнитных ловушках. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.08 - физика плазмы. - Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена экспериментальному изучению образования и динамики электронов и отрицательных ионов в плазменных источниках на основе ловушки Пеннинга и однощелевой остроугольной электромагнитной ловушки с плазменным источником электронов. Экспериментально определено влияние внешних и геометрических параметров пеннинговского разряда на его разрядные характеристики при перестройке разряда в режим с эжекцией электронных пучков в аксиальном направлении. Установлены особенности эволюции в аксиальном направлении продольных энергетических спектров электронного пучка, эжектируемого из разряда. Предложен и изучен новый способ управления током эжектируемого электронного пучка путем изменения разницы потенциалов между катодами. Определены эмиссионные характеристики физической модели плазменного источника электронов пеннинговского типа. Экспериментально изучены особенности эмиссионных и разрядных характеристик плазменного источника электронов на основе электрически несимметричного отражательного разряда с полым катодом при использовании рабочих газов с разными массовыми числами и их смеси. Исследованы режимы источника с токовой эффективностью 70 - 100 %. Показана возможность расширения рабочих параметров плазменного источника электронов данного типа, а также повышения его токовой и энергетической эффективности за счет использования в качестве рабочего газа - смеси аргона и водорода. Экспериментально доказана возможность создания эффективного плазменного источника отрицательных ионов на основе однощелевой остроугольной электромагнитной ловушки и плазменного источника электронов с полым катодом. В объеме электромагнитной ловушки получена плазма с параметрами, необходимыми для образования отрицательных ионов по механизму диссоциативного прилипания низкоэнергетичных электронов к колебательно возбужденным молекулам рабочего газа. Определены оптимальные давления рабочих газов, эмиссионные характеристики источника отрицательных ионов, а также его токовая и энергетическая эффективности.

Ключевые слова: остроугольная электромагнитная ловушка, разряд Пеннинга, аномальные электроны, полый катод, отрицательные ионы, плазменный источник.

Размещено на Allbest.ru