ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. В.Н. КАРАЗІНА

ЦАРЕНКО Олександр Володимирович

УДК 533.9

Оптична діагностика щільних квазістаціонарних потоків плазми і процесів їх взаємодії з поверхнею матеріалів

01.04.08 – фізика плазми

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики плазми Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут”.

Науковий керівник: | доктор фізико-математичних наук, професор

Терьошин Володимир Іванович, Інститут фізики плазми Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут”, заступник директора.

Офіційні опоненти: |

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Жовтянський Віктор Андрійович, Інститут Газу НАН України, м. Київ, заступник директора, зав. відділом плазмових технологій.

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Толстолуцький Олександр Георгійович, Інститут фізики високих енергій і ядерної фізики Національного наукового центру „Харківський фізико-технічний інститут, провідний науковий співробітник.

Провідна установа: |

Науковий фізико-технологічний центр Міносвіти та НАН України, м. Харків.

Захист відбудеться “4”листопада 2005 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 64.051.12 в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61108, м. Харків, пр. Курчатова 31, аудиторія 301.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В. Н. Каразіна за адресою: 61077,

м. Харків, майдан Свободи, 4.

Автореферат розіслано “3”жовтня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _____________ Письменецький С. О.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Генерація високоенергетичних щільних потоків плазми є однією з найважливіших проблем фізики плазми із-за широкого використання їх в різноманітних застосуваннях науки і техніки. Зокрема це стосується моделювання процесів впливу високоенергетичної замагніченої плазми на елементи диверторної системи ІТЕR впродовж так званої фази зриву струму та в інших аномальних режимах функціонування реактора-токамака. Різноманітні імпульсні та стаціонарні прискорювачі плазми вже широко застосовуються в технології для обробки та зміцнення матеріалів, для шарування поверхні тощо. Плазмові прискорювачі використовуються також в галузі космічних досліджень як електрореактивні двигуни. Значний інтерес становить їх застосування як потужних джерел нейтронного та світлового випромінювання. Серед різноманітних типів прискорювачів плазми особливе місце належить квазістаціонарним прискорювачам плазми (КСПП), що забезпечують генерацію потоків плазми з високими щільністю та енергетичними характеристиками впродовж тривалого проміжку часу.

Що стосується методів дослідження плазми КСПП, то перевага, безумовно, на боці безконтактних методів діагностики – спектроскопії та інтерферометрії. Оптична діагностика відкриває багато можливостей щодо отримання адекватної інформації про характеристики плазми. Досить відзначити, що оптичні методи виявляються єдиною діагностикою, що здатна вимірювати параметри плазми в діапазонах густини (1015ч1018) см-3 і температури (1?10) еВ (умови КСПП та модельних експериментів).

Отже, актуальність теми дисертаційної роботи обумовлена як необхідністю одержання адекватної інформації про фізику процесів прискорення плазми, так і з точки зору вивчення особливостей взаємодії прискорених плазмових потоків з поверхнями матеріалів.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Дисертаційну роботу виконано в Інституті фізики плазми Національного наукового центру „Харківський фізико-технічний інститут” (ІФП ННЦ ХФТІ) у рамках досліджень, що проводилися за : Постановою Президії АН СРСР, ГКАЕ і Мінвузу СРСР № 164 від 29.11.82 р., Постановою ГКНТ СРСР № 396 від 26.07.83 р., Постановою Президії АН СРСР, ГКАЕ і Мінвузу СРСР № ГЦ 226 від 26.11.87 р. Дослідження проводилися також за такими програмами:–

“Програма робіт з Атомної науки і техніки Національного науко-вого Центру „Харківський фізико-технічний інститут” на 1993–2000 рр.”, затверджена протоколом ДКНТ і Міністерства статистики № 90/132 від 7.06.1994 і розпорядженням Кабінету міністрів 08.05-КМ/03-93 від 19.12.1996 (теми: “Вивчення фізичної картини процесів утворення перехідних шарів при впливі потужних потоків плазми на поверхні матеріалів”, “Дослідження динаміки потужних квазі-стаціонарних плазмових потоків у повздовжньому магнітному полі”, “Дослідження плазмодинамічних процесів при впливі потужних потоків замагніченої плазми на твердотільні мішені”).–

“Програма проведення фундаментальних досліджень з атомної науки і техніки Національного наукового центру „Харківський фізико-технічний інститут” до 2005 р.”, затверджена роз-порядженням Кабінету міністрів № 421-р від 13.09.2001, № державної реєстрації 080901UР0009 від 08.10.2001(теми: “Дослідження потоків плазми в багатощілинній електромагнітній пастці “Юпітер-2М”, взаємодія потужних потоків плазми з поверхнею матеріалів”, “Модельні експерименти і розрахунки в обґрунтуванні розробки джерела термоядерних нейтронів, вибору матеріалів диверторних пластин термоядерного реактора, поліпшення властивостей конструкцій-них матеріалів”).–

Теми міжнародного співробітництва Міністерства освіти і науки України: “Ерозія розплавленого шару й EЧH дрейф при взаємодії гарячої плазми з поверхнею мішені”, № державної реєстрації ОК 0203U008363; “Експериментальний аналіз ерозії розплавленого шару металів та інжекції крапель”, № державної реєстрації 013U006474 (двостороння угода з Німеччиною, Дослідницький центр у Карлсруе) і “Дослі-дження властивостей імпульсних потоків щільної плазми, розробка плазмових методів покращення властивостей поверхонь”, № державної реєстрації ОК 0203U008364; “Розвиток і застосування різних методів діагностики плазми і поверхні для дослідження процесів модифікації твердих поверхонь матері-алів”, № державної реєстрації 0104U007424 (двостороння угода з Польщею, Інститут ядерних досліджень їм А.Солтана, Варшава). Дисертант брав участь у виконанні всіх перелічених програм.

Мета й задачі досліджень. Основною метою дисертаційної роботи є експериметальне встановлення особливостей квазістаціонарного прискорення плазми та процесів взаємодії плазмових потоків, генерованих КСПП, з поверхнями матеріалів. Для досягнення цієї мети в дисертаційній роботі сформульовано й розв’язано ряд задач:

· розробка техніки та засобів оптичної діагностики плазми, обґрунтування використання відомих методів з урахуванням особливостей умов КСПП;

· аналіз процесів генерації і прискорення плазми у прискорювачах КСПП Х-50 і КСПП П-50; та відповідність параметрів плазмових потоків, що генеруються КСПП, до теоретичних моделей;

· вивчення динаміки перехідних плазмових прошарків, які формуються в умовах взаємодії квазістаціонарних потоків плазми з матеріальною перешкодою.

Об’єкт дослідження - процеси генерації, прискорення і розповсюдження потоків щільної плазми, а також динаміка взаємодії потужних плазмових потоків з поверхнями матеріалів.

Предмет досліджень - щільні плазмові потоки, генеровані в квазістаціонарних прискорювачах плазми КСПП П-50 та КСПП Х-50, що поширюються як у вільному від зовнішніх полів просторі, так і в умовах зовнішнього магнітного поля, а також перехідні екрануючі плазмові прошарки, що утворюються при взаємодії потужних потоків плазми із твердотілими матеріалами.

Методи досліджень. Експериментальне визначення основних характеристик плазмових потоків, таких як густина, електронна та іонна температура, швидкість, домішковий склад проводилося за допомогою оптичних методів діагностики – спектроскопії та інтерферометрії.

Обґрунтованість і достовірність. Усі положення дисертаційної роботи є добре обґрунтовані. Достовірність результатів і висновків роботи забезпечувалася застосуванням різних взаємодоповнюючих діагностичних методів, головним чином безконтактних, інтерферометрія і спектроскопія – експериментальною перевіркою та детальним теоретичним аналізом умов їхнього застосування. Провадився також необхідний порівняльний аналіз з даними інших методів вимірювання параметрів плазми. Значна частина представлених у дисертації діагностичних методів випробувана також при проведенні аналогічних експериментів в інших наукових колективах.

Наукова новизна отриманих результатів. Експериментально вивчено самопогоджений режим роботи катодного трансформера КСПП (П-50) з пасивним анодним і напівактивним катодним трансформерами. Вивчено питання про вплив прозорості катодного трансформера на течію плазми в прискорювальному каналі КСПП П-50 і вперше виміряно параметри плазми в каналі прискорювача КСПП П-50. Зокрема показано, що в режимі напівпрозорого катодного трансформера відбувається накопичення щільної плазми в порожнині катоду, що пов'язано зі структурою магнітної конфігурації катодного трансформера. Показано, що в оптимальному режимі КСПП П-50 час існування квазістаціонарної фази більший ніж час прольоту частинок і досягає 20 мкс.

Експериментально досліджено прискорювальний режим на повноблочному квазістаціонарному прискорювачі КСПП Х-50. Вперше виміряно параметри плазми в зоні компресії КСПП Х-50, вивчено її динаміку і просторові характеристики.

Вперше зроблено обміри основних параметрів плазми (густини і температури) т.з. перехідного прошарку, який утворюється поблизу поверхні матеріальної перешкоди при її опроміненні потоками щільної плазми. Досліджено його динаміку і просторову структуру в широкому діапазоні енергетичних параметрів потоку, що налітає, при різній геометрії взаємодії і для різних матеріалів мішені. Зокрема показано, що з ростом поперечного розміру перешкоди збільшуються густина плазми перехідного прошарку і його товщина.

Вперше показано також, що товщина перехідного прошарку росте із збільшенням напруженості зовнішнього магнітного поля. Показано, що поблизу поверхні зразка утворюється тонкий (кілька міліметрів) холодний прошарок пари, до складу якого входять як випаруваний матеріал мішені, так і нейтральний водень.

Практичне значення отриманих результатів. Наведені в дисертації результати можуть використовуватися при розробці плазмоводинамічних систем прискорення і компресії плазми, наприклад, для створення потужних джерел світлового випромінювання, для модифікації поверхонь матеріалів тощо. Вони також мають важливе значення для подальшого розвитку і оптимізації коаксіальних прискорювачів із квазістаціонарним механізмом прискорення плазми.

Отримані в роботі експериментальні дані про параметри плазми перехідного прошарку можуть бути безпосередньо використані для моделювання процесів (в тому числі і комп’ютерного), які відбуваються поблизу поверхні дивертора в анормальних режимах роботи реактора-токамака, зокрема у фазі зриву струму. Результати цих досліджень можуть бути застосовані також для розробки різноманітних плазмових технологій на основі впливу щільних потоків плазми на матеріал та при вирішенні споріднених проблем прикладного характеру. Ціла низка результатів, що стосуються особливостей використання інтерферометрії та спектроскопії в умовах плазмових потоків КСПП, мають самостійне значення для подальшого розвитку оптичної діагностики щільної плазми.

Особистий внесок здобувача. Автор брав безпосередню участь у проведенні всіх експериментальних досліджень, результати яких покладено в основу цієї дисертації. Дисертант брав участь в обробці й інтерпретації отриманих експериментальних даних, а також у написанні і підготовці наукових статей і доповідей, опублікованих за тему дисертації.

В роботах [1-3, 11] автор безпосередньо брав участь у розробці і налагодженні елементів комплексу оптичної діагностики, що застосовувалися на всіх етапах досліджень з проблеми КСПП. Зокрема, ним були зібрані і відрегульовані такі схеми оптичних інтерферометрів: однопроменевий (хордовий) Маха-Цандера, інтерферометри з апертурою (200 мм) – автоколімаційний і Майкельсона. На базі промислового зразка лазера ОГМ-20 було створено потужне джерело світла з високою просторовою і часовою когерентністю (довжина когерентності > 5 м), що застосовувалося в інтерферометрії. Для реєстрації макрочастинок, що вилітають з поверхні матеріалу, розроблено систему лазерного розсіювання (експерименти по взаємодії плазмових потоків з матеріальною перешкодою). Автором була зібрана система оптичної реєстрації з високим часовим (до 1 мкс) і просторовим розподілом на базі ЕОПа, з високим коефіцієнтом підсилення світлового потоку (до 6·104). Використання цієї системи у сполученні з відповідними диспергуючими оптичними елементами забезпечило також високий спектральний розподіл – у випадку з дифракційними елементами – до 0,05 нм, з інтерферометром Фабрі-Перо – до 0,01 нм.

В роботах [4, 10, 12-14] автором розроблено пакет програмного забезпечення у форматі MATHCAD для обробки спектральних даних і розрахунків різних фізичних величин: реконструкція параметрів контурів спектральних ліній – метод Фойгта, розподілу Саха-Больцмана для різних елементів, розрахунок співвідношення інтенсивностей спектральних ліній у ЛТР-наближенні, розрахунки оптичної товщини плазми, розрахунки густини плазми за відомою Штарківською напівшириною.

У роботі [13] проведено аналіз застосовуваності ЛТР-співвідношень для елементів (і їх різних ступенів іонізації), що є в наявності у плазмі КСПП.

У роботі [4] визначено оптичну товщину плазми в діапазоні параметрів плазми КСПП і проведено детальний аналіз можливих помилок при визначенні густини плазми по розширенню лінії Hв в умовах КСПП.

У роботах [1, 3, 5, 16] проведено виміри основних параметрів плазмових потоків, що генеруються КСПП П-50 у різних режимах його роботи (густина, температура, швидкість). Щодо вимірів густини і температури в каналі прискорювача КСПП П-50 [3], то дані отримані вперше.

В роботах [6, 7, 9, 10, 12, 14] проведено виміри основних параметрів плазмових потоків (густини і температури), що генеруються КСПП Х-50.

В роботі [6] уперше встановлено, що на повноблочному КСПП Х-50 на виході прискорювального каналу формується зона компресії, вивчена її динаміка і просторові характеристики. Проведено також виміри густини, температури та швидкості плазмового потоку (за кутом Маху приєднаної ударної хвилі) в цій зоні.

У роботах [4, 7, 8, 10, 12, 14] дисертантом проведено детальний аналіз динаміки параметрів плазми перехідного прошарку, що утворюється при впливі генерованих КСПП Х-50 плазмових потоків на матеріальну перешкоду, в тому числі й в умовах зовнішнього повздовжнього магнітного поля. Зокрема вперше показано, що густина плазми в перехідному прошарку приблизно на порядок перевищує густину в потоці, що налітає, і збільшується із зростанням розмірів перешкоди.

У роботі [15] дисертантом уперше проведено дослідження залежності параметрів перехідного шару плазми від величини зовнішнього магнітного поля. Зокрема показано, що товщина перехідного прошарку росте із збільшенням напруженості зовнішнього магнітного поля.

У роботах [8, 10, 12, 14,] наведено виміри іонної й електронної температури плазми перехідного прошарку.

У роботі [14] уперше показано, що поблизу поверхні зразка, який опромінюється плазмою, формується тонкий холодний прошарок пари, в склад якої входить як випаруваний матеріал зразка, так і нейтрали водню.

Апробація результатів дисертації. Результати, що представлені в дисертаційній роботі, доповідалися на міжнародних конференціях: 7th and 11th International Conferences on Fusion Reactor Materials (ICFRM-7, Obninsk (Russia), 1995 і ICFRM-11, Baden-Baden (Germany), 2001), 19th Symposium on Fusion Technology (Lisbon (Portugal), 1996), International symposium "Plasma 97" "Research and applications of plasma" (Opole (Poland), 1997), 18th Symposium on plasma physics (Prague (Czech Republic), 1997), International conference on open magnetic systems for plasma confinement (Novosibirsk (Russia), 1998), 23rd, 25th, 30th European Physical Society conferences on Controlled Fusion and Plasma Physics (Kiev, 1996; Prague (Czech Republic), 1998; St-Petersburg (Russia), 2003), 15th International Conference on Plasma Surface Interaction in Controlled Fusion Devices (Gifu (Japan), 2002), 26th International Conference on Phenomena in Ionized Gases (Greifswald (Germany), 2003), 9th International conference and school on plasma physics and controlled fusion (Alushta, 2002), 6-th and 8-th Ukrainian conference and school on plasma physics and controlled fusion (Alushta, 1998, 2000), 7-ій Українській конференції з керованого термоядерного синтезу і фізики плазми (Київ, 1999), на 14-ій і 15-ій Технічних нарадах МАГАТЕ з використання малих термоядерних установок (Сан-Паулу (Бразилія), 2001 і Відень (Австрія), 2003).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 16 роботах, у тому числі в 10 статтях у наукових журналах та 6 доповідях у матеріалах міжнародних конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів основного тексту з 51 малюнком, висновків й списку використаних джерел з 133 найменувань. Повний обсяг дисертації складає 158 сторінок, у тому числі список використаних літературних джерел займає 14 сторінок.

У вступі формулюються основні проблеми, що є предметом вивчення в дисертації, і викладено їх актуальність. Відзначено зв'язок дисертаційної роботи з тематикою досліджень, що проводяться в ІФП ННЦ ХФТІ. Підкреслюється також наукова новизна отриманих результатів та їх практичне значення.

У першому розділі на основі літературних джерел проаналізовано головні етапи розвитку систем прискорення плазми. Розглянуто теоретичні принципи функціонування імпульсних і квазістаціонарних прискорювачів плазми. Проведено огляд експериментальних робіт, що стосуються проблем КСПП та основних діагностичних методів, які застосовуються в цих дослідженнях. Доведено необхідність використання оптичних методів діагностики та їх переваги перед іншими методами досліджень щільної плазми, в тому числі в експериментах по взаємодіїї потужних квазістаціонарних потоків. У другому розділі представлено опис експериментальних установок КСПП П-50 та КСПП Х-50, на яких проводилися дослідження. Подано опис магнітної системи, що створює поздовжнє магнітне поле в імітаційних експериментах по проблемі взаємодіії плазмових потоків з матеріальною перешкодою. Коротко представлено основні діагностичні методи, що застосовувалися в експериментах, за винятком оптичних методів.

Експериментальний стенд КСПП П-50 містить у собі власне прискорювач, вакуумну систему, комплекс енергетики і систему управління. Вакуумна камера діаметром 100 см і довжиною 400 см складається з чотирьох секцій. У кожній секції існує чотири діаметрально протилежних діагностичних вікна 50 см. Основний прискорювальний канал двоступінчастого КСПП П-50 утворений циліндричним стрижневим анодом і профільованим стрижневим катодом, матеріал електродів – мідь. Анод виконано у вигляді “білячого колеса” і закріплено на перехідному фланці. Внутрішній діаметр анода 50 см, довжина 80 см (кількість мідних стрижнів 18, їхній діаметр 1,2 см). Катод має форму еліпсоїда обертання, поверхню якого складають 16 профільованих ламелей, з'єднаних двома несучими коаксіальними мідними трубами, проміжок між якими по всій довжині ізольований діелектричними вставками. Така конструкція катода дозволяла використовувати його в напівактивному режимі для забезпечення магнітного екранування ламелей. Довжина профільованої частини катода 60 см, максимальний діаметр у критичному перетині 32 см. На внутрішній трубі між ламелями закріплено 128 вістряних катодів (струмоприймачів), що складають вісім рядів і повторюють профіль катода. У ряді експериментів, метою яких було дослідження впливу прозорості катода на режим прискорення, застосовувався суцільний катод. У цьому варіанті конструкції проміжки між ламелями закривалися мідними пластинами – профіль катода і геометричні розміри при цьому залишалися незмінними. На торцевому фланці симетрично щодо осі системи були розташовані чотири незалежні вхідні іонізаційні камери (ВІК), що утворювали першу ступінь прискорювача. Напуск робочого газу здійснювався за допомогою електродинамічного клапана, що забезпечував подачу до 400 см3 водню при атмосферному тиску за імпульс.

Електроживлення всіх елементів прискорювача здійснюється від ємнісних накопичувачів. Параметри конденсаторної батареї основного розряду: Uс 10 кВ, С = 5600 мкФ. Тривалість розряду порядку 250 мкс. Для електроживлення розряду у ВІКах використовувався накопичувач з ємністю до 4000 мкФ і напругою до 5 кВ. Тривалість розряду становила до 300 мкс.

Повноблочний квазістаціонарний плазмовий прискорювач КСПП Х-50 складається з наступних основних вузлів: активного анодного трансформера й напівактивного катодного трансформетра, що утворюють прискорювальний канал основного ступеня (другий ступінь), та першого ступеня. Перший ступінь містить у собі вхідний іонізаційний блок (ВІБ) і дрейфовий канал. ВІБ являє собою систему з п'яти вхідних іонізаційних камер (ВІК). Окремі потоки плазми з кожної ВІКи симетризуються в дрейфовій камері і надходять в основний прискорювальний канал. Активний анодний трансформер складається з магнітної системи і десяти анодних іонізаційних камер (АІК). Катодний трансформер Z-типу виконаний з 20-ти вигнутих металевих трубок, що задають профіль каналу. Довжина профільованої частини катодного трансформеру – 62 см, а максимальний діаметр у критичному перетині - 36 см. Прискорювач КСПП Х-50 розміщений у вакуумній камері довжиною 10 м і діаметром 1,5 м. Детальний опис анодного й катодного трансформерів, а також Віків та АІКів подано в роботах [1-4].

Електроживлення всіх елементів прискорювача здійснювалося від роздільних ємнісних накопичувачів. Граничні параметри батарей основного розряду: Uс = 25 кВ, С = 7200 мкФ, Wс = 2,2 МДж. Розрядний струм до 1,2 МА, тривалість імпульсу основного розряду до 350 мкс. Повний енергозапас ємнісних накопичувачів усіх систем прискорювача порядку 4 МДж. Основний обсяг досліджень проведено при Uс 15 кВ (Wс до 800 кДж).

Для адекватного моделювання процесів, що відбуваються в анормальних режимах токамака-реактора ITER, експерименти повинні проводитися в магнітному полі. З цією метою конструкція установки КСПУ Х-50 була трохи змінена. Зокрема, вакуумна камера діаметром 1,5 м зістиковувалася за допомогою конусоподібних перехідних камер з камерою малого діаметра 40 см і довжиною 150 см. Повздовжнє магнітне поле створювалося за допомогою чотирьох котушок із внутрішнім діаметром 42 см, охоплюючих цю камеру. Експерименти проводилися при напруженості магнітного поля до 1 Тл. Для створення оптимальних умов входу плазмового потоку в магнітне поле і кращого замагнічування плазми струми в перших двох котушках були зменшені. При цьому магнітне поле поступово зростало до свого максимуму, що знаходився між 3 і 4 котушками. У цій же області, на відстані від прискорювача 2,45 м розміщувалися зразки досліджуваних матеріалів (матеріальна перешкода). Діагностичні патрубки (прямокутної форми) для оптичних вимірів розташовувалися горизонтально і забезпечували поле зору приблизно 12?20 см2.

Система діагностики характеристик КСПП і параметрів генерованих плазмових потоків включала набір поясів Роговського, частотно-компенсовані подільники напруги, електричні і магнітні зонди, п'єзоелектричні датчики тиску газу. Для виміру енергетичних параметрів плазми застосовувалися локальні інтегральні калориметри.

У третьому розділі розглянуто комплекс оптичних методів діагностики КСПП та параметрів плазмових потоків. Наведені діагностичні методи тією чи іншою мірою добре відомі і раніше вже застосовувалися на практиці, однак існують особливості застосування цих методів в умовах щільної плазми КСПП. Зокрема, давно відомий метод визначення щільності плазми по розширенню спектральних ліній Бальмеровскої серії водню (лінійний Штарк-еффект) вимагає детального обґрунтування його застосовності в умовах КСПП – значні величини густини плазми при значних її поперечних розмірах. Особлива увага приділена надійності застосовуваних методів. Необхідно відзначити, що тільки використання комплексу оптичної діагностики дозволяє отримати достовірну інформацію щодо процесів прискорення плазми, а також проблеми взаємодії плазмових потоків з різними матеріалами.

Сильне власне випромінювання плазми КСПП дозволяє широко використовувати методи фотографічної реєстрації при вивченні її властивостей. Високошвидкісна фотографічна реєстрація світлового випромінювання плазми здійснювалася за допомогою приладу ВФУ-1, що працює в режимах покадрової зйомки і фотореєстратора (безперервне розгорнення зображення). Завдяки великому діапазону швидкості зйомки (від 25·103 до 25·105 кадр/с) камера дозволяє реєструвати імпульсні процеси тривалістю від декількох мікросекунд до мілісекунд. В розділі описано чотири оптичні методи визначення швидкості плазмових потоків та розглядаються особливості їх застосування.

Електронна густина плазми визначалася за допомогою оптичної інтерферометрії. Використовувалося три оптичні схеми інтерферометрів: однопроменевий (хордовий) Маха-Цандера, інтерферометри з апертурою (200 мм) – автоколімаційний і Майкельсона. Як джерело випромінювання для інтерферометра Маха-Цандера використовувався He-Ne лазер при реєстрації інтерферограм на фотоелектронному помножувачі з точністю обробки до 1016 см-2 в одиницях Nel. Автоколлімаційний інтерферометр, на відміну від класичних схем, потребує потужного джерела випромінювання зі значною повздовжнею (часовою) когерентністю. Відповідна довжина когерентності повинна бути більша ніж подвійна відстань між дзеркалами інтерферометра (Lког > 4 м в нашому випадку ). Окрім цього необхідно забезпечити високу поперечну когерентність з достатньою однородністю поля випромінювання. Цим вимогам задовільняло джерело випромінювання, що було зібране на базі рубінового лазера ОГМ-20. Для селекції повздовжніх мод використовувався резонансний відбивач (скляна пака), а для високої поперечної когерентністі в резонатор вставлялася діафрагма O 1 мм. Реєстрація інтерферограм здійснювалася на установці ВФУ-1 в покадровому режимі. Головною перевагою такої системи є можливість отримати просторовий розподіл електронної густини плазми з високим часовим розділенням, причому за один робочий цикл установки. Повною мірою ці переваги проявилися в імітаційних експериментах по визначенню параметрів перехідного прошарку плазми (розділ 6).

Спектральні методи вимірів електронної густини базувалися на ефекті Штарківського розширення спектральних ліній водню та інших елементів. У випадку водню (лінійний Штарк-ефект) має місце такий зв’язок між густиною плазми N та штарківською шириною ?л1/2:

N = C(N, Te)· (?л1/2)3/2,

де C(N, Te) – коефіцієти, що затабульовані для ліній Бальмеровської серії. Причому C(N, Te) слабо залежать від N і Te (електронної температури). Для більшості спектральних ліній інших елементів характерним є квадратичний Штарк-ефект, для якого, зневажаючи внеском іонів (за умов високої електронної щільності), маємо:

?л1/2 2·щ·Ne·10-16 ,

де щ – ударна електронна напівширина, розрахунки для якої проведені Г. Грімом. Відповідні дані по C(N, Te) та щ наведені в [Грим Г. Спектроскопия плазмы. Москва: Атомиздат, 1969.- 392 с.].

В експериментах по взаємодії плазмових потоків з матеріальною перешкодою виникла проблема визначення оптичної товщини плазми ф для спектральних ліній водню, по яких вимірювалася густина плазми. У випадку значних величин ф значення щільності плазми, отримані з напівширин спектральних ліній, можуть виявитися сильно завищеними. Відповідний теоретичний аналіз був виконаний для лініі Hв, використовуючи вираз для ф, наведений в [Спектроскопия газоразрядной плазмы. под ред. С. Э. Фриша. Ленинград: Наука, 1970.- 362 с.]. З урахуванням співвідношень Саха-Больцмана, припускаючи рівність іонної та електронної густини, було отримано:

= 2·10-36 ·Ne2 ·Те-3/2 ·exp(3.4/Те)·l/,

де Ne і Те – електронна густина і температура відповідно, l – геометрична товщина потоку плазми, ~ Ne2/3 – Штарківська ширина. Результати кількісних розрахунків наведено на рис.1 для l = 10 см – приблизний поперечний розмір потоку плазми. Як видно, в діапазоні значень електронної густини, що є типовим для КСПП (1015 1017) см-3 та температур вищих ніж 1,5 еВ, ф < 1. Так що ефектами реабсорбціїї можна цілком зігнорувати. Безпосередні виміри оптичної товщини плазми підтвердили цей висновок.

Визначення іонної температури плазми здійснювалося шляхом видобування допплерівської складової в сумарному контурі спектральної лінії за методом Фойгта. Для реалізації цієї процедури необхідно якомога точніше врахувати інші механізми розширення спектральних ліній. В умовах значних величин електронної густини домінує квадратичний Штарк-ефект, розрахункові параметри якого, як правило, визначаються з невеликою точністю, що ушкоджує виміри температури. Електронна температура вимірювалась за відносними інтенсивностями спектральних ліній іонів. Для коректного використання цього методу було проведено аналіз застосовності співвідношень Саха-Больцмана до іонів (різного ступеню), присутніх в плазмі КСПП, користуючись критерієм Гріма для локальної термодинамічної рівноваги (ЛТР). При даній електронній температурі Те величина електронної щільності повинна бути вищою від мінімальної Ne для здійснення ЛТР. Для оптично тонкої плазми маэмо (див. Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. Москва: Наука, 1982. – 375 с.):

де ДЕ, еВ – найбільша “енергетична щілина” у спектрі енергій відповідного іона (атома); J, еВ – потенціал іонізації; Z – заряд. Відповідні розрахунки (при Те=1еВ) було проведено для деяких іонів різних іонізаційних ступенів – таблиця 1 (перший стовпчик спектроскопічний символ іону). Наведені дані легко екстраполювати на будь-які інші електронні температури з урахованням залежності Ne ~ Те1/2. Розглянуто засоби і техніку реєстрації спектрів з високим просторово-часовим розподілом. Надається опис лазерної системи реєстрації макрочастинок для вивчення процесу ерозії поверхні матеріалу в процесі взаємодії з плазмовими потоками.

У четвертому розділі розглядаються результати досліджень режимів роботи квазі-стаціонарного прискорювача плазми КСПП П-50 та параметрів плазмових потоків. Експериментальні дослідження моделі КСПП П-50 з пасивним анодним та напівактивним катодним трансформерами стали першим кроком на шляху реалізації програми КСПП. Головною метою цього етапу була перевірка ряду принципів, на яких базується ідея квазістаціонарного прискорення плазми. Для організації регулярної течії в каналі КСПП необхідним є перехід на іонне струмоперенесення, реалізація якого потребує відповідних початкових та граничних умов в каналі КСПП. Для забезпечення початкових умов необхідно перейти на двоступеневий режим роботи прискорювача. Перший ступінь прискорювача (ВІБ) служить для іонізації робочого газу та його попереднього розгону, що необхідно для узгодженої роботи прискорювача в цілому. В свою чергу, перехід на стрижневі (напівпрозорі) електроди сприяє забезпеченню граничних умов. Використання напівпрозорого катоду на КСПП П-50 дозволило моделювати процеси магнітного екранування електродів за рахунок струму основного розряду, що протікає по ламелям катодного трансформеру. Такий режим функціювання катоду КСПП П-50 було названо самоузгодженим. Напівпрозорість анода забезпечує також постачання іонів (атомів) з поверхні анода у розряд за рахунок газу, що є накопиченим у заанодному просторі.

В експериментах на КСПП П-50 застосовувалися наступні елементи комплексу оптичної діагностики. Динаміка плазмоутворення і формування потоку плазми в каналі прискорювача досліджувалася за допомогою високошвидкісної фотозйомки – ВФУ-1. Електронна густина плазми в каналі прискорювача і на його виході вимірювалася по розширенню водневих спектральних ліній. Реєстрація спектрів з часовим розділенням проводилася на поліхроматорі та ЕОПі, інтегральні спектри отримувалися на спектрографі ДФС-452. Швидкість потоку плазми визначалася за ефектом Доплера та часово-прольотним методом.

В оптимальному режимі роботи КСПП П-50 зі стрижневими електродами отримані значення густини плазми на виході прискорювача - 3·1016 см-3 і швидкості V 107 см/с погоджуються з теоретичними оцінками, що випливають з магнітної гідродинаміки. Час встановлення регулярної течії плазми в каналі складає 40 мкс, при цьому тривалість квазістаціонарної фази розряду дорівнює (20?30) мкс, що відповідає 2?3 часам прольоту плазми в каналі. На відміну від оптимального, в режимі роботи КСПП П-50 із суцільним катодом зменшується тривалість регулярної течії плазми в каналі прискорювача до 10 мкс. Збільшення густини плазми поблизу катода внаслідок ковзання струму уздовж поверхні катода призводить до збільшення прикатодного стрибка потенціалу в цьому режимі і погіршення прискорювальних характеристик КСПП П-50. Показано, що максимальне значення швидкості потоку складає 8·106 см/с протягом 10 мкс (на фронті потоку плазми), що менше, як по величині, так і по тривалості, ніж в оптимальних режимах роботи КСПП зі стрижневим катодом. Електронна густина в каналі прискорювача складала (1?2)·1015 см-3 в усіх варіантах експлуатації катодного трансформера. В деяких режимах з напівпрозорим катодом спостерігалося накопичення плазми в його порожнечі із зростанням густини плазми до 1016 см-3 і вище.

У п'ятому розділі наведено основні результати досліджень повноблочного КСПП Х-50. Розглядаються вплив роботи складових елементів прискорювача на вихідні параметри потоків, що генеруються, та засоби досягнення їх узгодженої роботи. Впроваджено аналіз динаміки зони компресії, яка формується на виході КСПП Х-50 в режимі з вимкненою магнітною системою катодного трансформера. Радіальний розподіл густини плазми було отримано з інтерферограм за допомогою перетворення Абеля. Приклад такого розподілу представлено на рис. 2 для момента часу 60 мкс від початку розряду, що відповідає максимальній компресії плазми. Максимальні значення електронної густини в області компресії ~ (1,5?2)·1017 см-3 при густині плазми на вході в прискорювальний канал на рівні (2?3)·1015 см-3. Таким чином, коефіцієнт стиску (ступінь компресії) досягає величин ~ (60?100). З часом, коли розрядний струм зменшується, густина плазми спадає до (3?5)·1016 см-3 за 160 мкс. При цьому радіус зони компресії зростає від ~ (2?3) см до 7 см. Середня по хорді електронна температура визначалася по відношенню інтенсивностей вуглецевих ліній і була на рівні (2?3) еВ впродовж всього розряду. Швидкість потоку плазми вимірювалася за кутом Маха приєднаної ударної хвилі. Максимальні значення числа Маха складали ~ 4, що відповідає швидкості потоку ~ (1?2)·107 см/с. Тривалість існування області компресії та генерації потоку плазми зі швидкістю >107 см/с – квазістаціонарна фаза – складає 100?150 мкс, що відповідає кільком десяткам часів прольоту плазми в каналі КСПП Х-50.

Шостий розділ присвячено аналізу процесів, які відбуваються при взаємодії потужних плазмових потоків, генерованих КСПП Х-50 з матеріальною перешкодою, в тому числі і в умовах зовнішнього повздовжнього магнітного поля (до 1 Тл). Проблема взаємодії плазми з поверхнею твердотільного матеріалу є однією з найважливіших складових програми по створенню реактора-токамака ITER. Імітаційні експерименти проводилися з різними матеріалами перешкоди, але найбільш повні результати отримані для вуглецевих зразків, маючи на увазі можливе використання вуглецю в елементах конструкції ITER.

В експериментах без зовнішнього поля отримані просторові розподіли (приклад на рис. 3) електронної густини плазми з високим часовим розділенням. Зокрема показано, що безпосередньо поблизу поверхні зразків, що опромінюються, впродовж кількох мікросекунд формується прошарок щільної плазми (так званий перехідний прошарок) з густиною на порядок вищою ніж густина в налітаючому потоці. Причому часовий хід густини в шарі повторює зміни густини в плазмовому потоці. Максимальні значення електронної густини (1,5?2,5)·1017 см-3 зростають при збільшенні діаметру перешкоди, а товщина перехідного шару складає ~ 2 см для вуглецевих зразків діаметром (5?8) см.

Основний обсяг інформації про параметри перехідного шару в умовах зовнішнього магнітного поля здобуто при таких параметрах налітаючого потоку плазми: електронна густина - (2?5)·1016 см-3, температура плазми 2,5 еВ, питома потужність плазми до 20 МВт/см2, тривалість (150?170) мкс. На основі даних інтерферометрії показано, що товщина перехідного шару суттєво збільшується за умов зростання зовнішнього магнітного поля (рис. 4). При цьому для вуглецевих зразків максимальні значення електронної густини в екрануючому шарі досягають значень 3·1017 см-3. Цей же ефект спостерігається у випадку зразків, що розміщені під кутом 200 до плазмового потоку, але при дещо менших значеннях електронної густини. Найбільш повна інформація щодо динаміки та просторовової структури густини плазми поблизу вуглецевих зразків отримано за допомогою спектральних методів. Товщина перехідного шару для зразків діаметром 10 см (і більше) досягає (5?10) см при часі встановлення розподілу густини ? 50 мкс. Виміри електронної та іонної температури плазми запроваджено також спектральними методами. Зокрема показано, що електронна температура екрануючого шару в усіх випадках близька до температури налітаючого плазмового потоку - (2ч3) ?В, а іонна температура не перевищує (5?7) еВ. Щодо іонної температури плазми, то її визначення проведено як для елементів, що випарувалися з поверхні матеріалу, так і для іонів домішок в налітаючому плазмовому потоці.

На деяких інтерферограмах перехідного шару в безпосередній близькості до поверхні (кілька мм) спостерігався зсув інтерференційних смуг у напрямку, зворотньому по відношенню до електронної компоненти. Такий ефект свідчить про наявність нейтральної компонети (рефракція > 0) пари поблизу матеріалу зразка. Проведено оцінки густини такої пари.

Оптичні методи застосовувалися також для вивчення механізму ерозії зразків, що опромінювалися. Зокрема, було з'ясовано що єдиним механізмом втрати маси зразком є випарування та фізичне розпилення поверхні матеріалу. Кластерний механізм ерозії не спостерігався в цих експериментах

Висновки

У дисертаційній роботі досліджено особливості процесів генерації квазістаціонарних потоків плазми та їх взаємодії з твердотілими матеріалами. Проведено експериментальні дослідження моделі КСПП П-50 з пасивним анодним і напівактивним катодним трансформерами (у різних варіантах функціонування катодного трансформера), а також в одно- і двоступеневому режимах його роботи.

1. В оптимальному режимі роботи КСПП П-50 зі стрижневими електродами поведінка вихідних характеристик плазмових потоків узгоджується з теоретичними оцінками, що отримані для КСПП у рамках магнітної гідродинаміки. Час установлення регулярнї течії плазми в каналі складає 30 мкс. Тривалість квазістаціонарної фази розряду зі швидкістю плазми V 107 см/с і густиною 3·1016 см-3 дорівнює (20?30) мкс, що відповідає (23) часові прольоту плазми в каналі.

2. Уперше проведений детальний аналіз основних параметрів плазми в прискорювальному каналі при різних режимах роботи катодного трансформера. Зокрема, показано, що густина плазми в каналі складає > 1015 см-3 при температурі 2,5 еВ протягом усього часу розряду. Виміряні параметри знаходяться в задовільному погодженні зі значеннями, що розраховані в МГД наближенні на основі обмірюваних розподілів електричних і магнітних полів. Показано, що в деяких режимах роботи КСПП П-50 зі стрижневим катодом густина плазми в порожнині катода в кілька разів більша від середньої густини в каналі і досягає величини > 1016 см-3.

3. Показано, що в режимі роботи КСПП П-50 із суцільним катодом тривалість регулярної течії плазми в каналі прискорювача зменшується і становить 10 мкс. Збільшення густини плазми поблизу катода внаслідок ковзання струму уздовж його поверхні призводить до збільшення прикатодного стрибка потенціалу в цьому режимі і погіршення прискорювальних властивостей КСПП П-50. Максимальне значення швидкості потоку складає 8·106 см/с протягом 10 мкс, що менше, як по величині, так і по тривалості, в порівнянні з оптимальними режимами зі стрижневим катодом.

Проведено експериментальні дослідження повноблочного квазістаціонарного прискорювача Х-50 у різних режимах його роботи.

4. Показано, що тривалість генерації потоку плазми зі швидкістю > 107 см/с (квазістаціонарна фаза прискорення) складає величину порядку (50?100) мкс. При цьому середня (по хорді) щільність плазми на відстані 0,7 м від КСПП Х-50 складає (1,5?2)·1016 см-3 при електронній температурі ? 2,5 еВ.

5. Встановлено, що в режимі без включення катодного трансформера безпосередньо на виході з прискорювального каналу КСПП Х-50 формується зона компресії. Показано, що область компресії формується за час ? 50 мкс і існує протягом ? (100?150) мкс.

6. Максимальні значення густини плазми в зоні компресії складають величину Nе (1,5ч2)·1017см-3 при поперечному розмірі ? 3 см і довжині (15?20) см. Коефіцієнт компресії досягає величин 60?100. Швидкість плазми в області компресії ~ 107 см/с.

Проведено детальний аналіз процесів, що відбуваються при взаємодії потужних квазістаціонарних потоків плазмі, що генеруються КСПП Х-50 з матеріальною перешкодою в діапазоні енергій потоку, що налітає, 120 Дж/см2 - 3000 Дж/см2. Здійснено експериментальне моделювання процесів впливу плазми на елементи конструкції майбутнього реактора-токамака ITER в анормальних режимах його роботи.

7. Зокрема показано, що при налітанні потужного потоку плазми на мішень поблизу її поверхні утворюється прошарок щільної плазми, так