Экспериментальные и теоретические исследования сильнонеравновесных процессов, в том числе в активных кулоновских системах пылевых частиц в коллоидной плазме

Отчет 81 стр., 30 рис., 2 табл., 96 источн. ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВАЯ ПЛАЗМА, ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ПЛАЗМА, ПЛАЗМЕННЫЕ СИСТЕМЫ, ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД, ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД ПОСТОЯННОГО ТОКА, ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ, КОНДЕНСАЦИЯ ПАРОВ МЕТАЛЛОВ, КОЛЛОИДНАЯ ПЛАЗМА, ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА, ЭРОЗИЯ МЕТАЛЛА, ИОННОЕ РАСПЫЛЕНИЕ, ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ, ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОЛНА-ЧАСТИЦА, СОЛИТОНЫ, МАГНИТНАЯ ЛОВУШКА Объектами исследования являются: Пучково-плазменные системы, в которых газовый объем, возбуждаемый пучком электронов высокой энергии, локализован стенками контейнера. Методы и аппаратура диагностики электронно-пучковой плазмы (ЭПП) в условиях интенсивного взаимодействия плазмы со стенками контейнера. Методы и алгоритмы компьютерного моделирования распространения концентрированных электронных пучков в плотных средах. Способы верификации моделей, использованные при моделировании распространения электронных пучков в плотных средах, на основе результатов физических экспериментов с ЭПП, возбуждаемой внутри контейнера. Положительный столб стратифицированного тлеющего разряда постоянного тока при пониженном давлении газа. Эрозия материала катода под влиянием бомбардировки ионами рабочего газа и ионами материала катода, которые нарабатываются в разряде в процессе распыления. Свойства газового разряда при использовании в качестве электродов различных металлов (алюминий, медь, и никель). Газоразрядная плазма с примесями (меди, никеля, алюминия и вольфрама). Бесстолкновительная плазма в неоднородном магнитном поле Целями работы являются: - экспериментальное исследование пространственного распределения энерговыделения в ЭПП чистых газов, генерируемой в цилиндрических контейнерах (трубках), изготовленных из проводящих и диэлектрических материалов, применительно к задачам моделирования газоразрядных систем с разрушающимися и химически реагирующими электродами; - накопление экспериментальных данных для верификации моделей, которые использовались при компьютерном моделировании процессов и явлений в ЭПП, локализованной стенками контейнера. - Экспериментальное исследование процесса распыления материала мишени (катода) под влиянием бомбардировки ионами рабочего газа и ионами материала катода, которые нарабатываются в разряде в процессе распыления. - Анализ влияния эрозии электродов на свойства газоразрядной плазмы. - Исследования свойств тлеющего разряда постоянного токапри использовании в качестве электродов различных металлов (алюминий, медь, и никель). - Создание физико-математической модели для учета влияния распыления металлических материалов на характеристики газоразрядной плазмы. - Анализ движения заряженных частиц в электрическом поле солитонов в замагниченной плазме Методы и методологии проведения работы. Для выполнения работ по теме: - Работы по теме выполнялись с использованием созданного н отлаженного на предыдущих этапах выполнения проекта генератора ЭПП, оснащенного специально разработанным диагностическим комплексом. Изучалось оптическое излучение плазмы, возбуждаемой внутри трубок с люминесцирующими стенками, в предположении, что интенсивность излучения элемента плазменного объема пропорциональна мощности энерговыделения в этом элементе. Интенсивность люминесценции элемента поверхности трубки предполагалась пропорциональной плотности потока быстрых электронов, падающих на этот элемент. Использовались широкополосные и спектральные методы исследования излучения плазмы и стенки контейнера. - Физические эксперименты сопровождались вычислительными экспериментами, в которых выявлялись зависимости продольного профиля энерговыделения в ЭПП от параметров электронного пучка, плазмообразующего газа и от размеров контейнера. При этом была использована методика компьютерного моделирования, согласно которой самосогласованным образом рассматриваются наиболее значимые электронно-кинетические, тепловые и плазмохимические процессы в свободной и приповерхностной ЭПП. Методика позволяла рассчитывать траектории движения быстрых электронов в плазмообразующем газе и в стенке контейнера методом Монте-Карло на основе модели непрерывного замедления электронов. - Сопоставление результатов физических и вычислительных экспериментов позволяют с одной стороны верифицировать модели явлений, происходящих в заполненном ЭПП контейнере и алгоритм расчета при компьютерном моделировании, а с другой стороны оптимально планировать физические эксперименты. - Работы проводились в стеклянной газоразрядной трубке, подключенной к системе контроля давления. В качестве плазмообразующего газа использовался чистый аргон. Для работы с различными материалами катода был сконструирован комбинированный катод из трех металлов: медь, никель и алюминий. - Для анализа свойств газоразрядной плазмы использовались визуальный метод контроля, в том числе фото и видеофиксация состояния стратифицированного положительного столба тлеющего разряда постоянного тока и содержимого первой страты разряда, параметрический метод контроля, а именно отслеживание изменения напряжения, необходимого для поддержания разряда, при прочих неизменных параметрах,метод люминесцентной спектроскопии прикатодной области и первой страты. - Анализ процесса распыления материала мишени под влиянием бомбардировки ионами рабочего газа и ионами материала катода и влияния эрозии электродов на свойства газоразрядной плазмы выполнен посредством проведения расчетов коэффициентов распыления материалов и сопоставлением полученных экспериментальных данных с результатами расчета и известными зависимостями давления паров металлов от температуры. - Анализ кинетики заряженных частиц (в основном электронов) в смеси благородный газ – пары металла проведен в рамках метода Монте-Карло. - Анализ движения заряженных частиц в электрическом поле ионно-звуковых солитонов выполнен в рамках гидродинамических моделей и одночастичного приближения. Для определения профиля солитонов использовалось уравнение Кортевега Де-Вриза. Результаты работы: Создана экспериментальная установка с диагностическим комплексом, созданные и отлаженные на предыдущих этапах проекта, были задействованы для исследования пространственного распределения энерговыделения в объеме плазмы, возбуждаемой инжекцией концентрированного электронного пучка в плотные среды, применительно к задачам моделирования газоразрядных систем с электродами, на поверхности которых имеет место распыление материала. В проведенных экспериментах плазменный объем был локализован стенками цилиндрических контейнеров. В качестве контейнеров использовались трубки из проводящих и диэлектрических, в том числе люминесцирующих под воздействием электронного пучка, материалов. По результатам измерений локальных значений яркости (B) суммарного излучения ЭПП и стенки контейнера , проведенных широкополосными фотоприемниками с плазмой, возбуждаемой в контейнерах из кварцевого стекла, установлено, что: (а) При любом давлении плазмообразующего газа (Pm) продольный профиль интенсивности излучения 𝐵(z) имеет максимум Вmax на некотором расстоянии z* от точки инжекции электронного пучка, причем это расстояние уменьшается с ростом плотности плазмообразующего газа (z – ось симметрии контейнера, совпадающая с направлением инжекции электронного пучка). При увеличении Pm этот максимум сдвигается в направлении к выводному устройству, т.е. в сторону меньших z, а уменьшение давления приводит к сдвигу максимума функции 𝐵(z) в противоположном направлении, т.е. к дальнему от выводного устройства концу трубки; (б) Если расстояние z между выводным устройством и сечением, в котором проводится измерение интенсивности излучения плазмы, фиксировано, то функция 𝐵(Pm) имеет максимум при некотором Pm*. По мере увеличения z максимум функции 𝐵(Pm) сдвигается в сторону больших давлений, а с уменьшением z величина Pm* снижается. (в) При прочих равных условиях положение максимума функции 𝐵(z) зависит от молекулярной массы плазмообразующего газа: чем тяжелее газ, тем ближе к точке инжекции электронного пучка находится этот максимум.. В экспериментах, которые выполнялись с применением спектрометра вместо широкополосного приемника излучения, установлено, что перечисленные в п.2 закономерности выполняются, но они относятся только к излучению плазмы, а именно – к высоте спектральных линий излучения ЭПП. При этом с изменением величины Pm высота «горба» непрерывного спектра люминесценции кварца, на фоне которого регистрируется линейчатый спектр излучения плазмы, остается практически неизменной. Исследования инструментальными методами сопровождались вычислительными экспериментами с использованием специально разработанного программного обеспечения. ПО методом Монте-Карло реализовывало самосогласованное решение задачи моделирования распространения электронного пучка в неоднородной среде с плотностью, изменяющейся за счет энерговыделения пучка в газе форвакуумного давления и нагрева газа теплообменом со стенкой контейнера. Сравнение результатов физических и вычислительных экспериментов показало, что заложенная в ПО модель явлений, происходящих в контейнере, и алгоритм расчета адекватно воспроизводят закономерности, перечисленные в п.2. Экспериментально исследовано влияние эрозии электродов из различных металлов (алюминий, никель, медь) при их распылении ионами рабочего газа и материала катода на свойства плазмы тлеющего разряда постоянного тока. Обнаружено формирование облаков мелкодисперсных частиц в неоднородностях положительного столба разряда – стратах из продуктов эрозии электродов. Изучено изменение параметров разряда во времени при постоянном давлении и силе тока, обусловленной эрозией катода и наработки ионов материала катода, выбитыми в результате бомбардировки ионами рабочего газа. В результате анализа влияния эрозии электродов под влиянием бомбардировки ионами рабочего газа и ионами материала катода на свойства газоразрядной плазмы было показано, что материал катода подвержен эффективному распылению, что и привело к появлению достаточной концентрации атомов металлов в плазме для конденсация мелкодисперсных частиц металлов. Показано наличие металлических примесей в плазме тлеющего разряда постоянного тока методом люминесцентной спектроскопии. Методом Монте Карло проанализирована кинетика электронов в смеси благородный газ – пары металла. На примере рабочих газов неона и аргона, медного и стального катодов показано, что даже незначительные добавки атомов металла, начиная с долей процента, сильно влияют на ионный состав плазмы и кинетические характеристики дрейфа электронов. В классической гидродинамики проанализировано движения заряженных частиц, взаимодействующих с ионно-звуковыми солитонами в бесстолкновительной плазме в слабонеоднородном магнитном поле. Магнитное поле соотвествует линенйной магнтной ловушке. Установлен новый нелинейный механизм изменения конуса потерь в замагниченной плазме. Область применения: Результаты экспериментальных и теоретических исследований представляют интерес для: Данные, накопленные при выполнении физических и вычислительных экспериментов, позволят, в конечном счете, оптимизировать условия генерации ЭПП для некоторых наиболее распространенных конструкций пучково-плазменных установок, применяемых в научных исследованиях, в том числе для имитации газоразрядных систем с разрушающимися и химически реагирующими электродами. Эти данные будут также полезны при разработке и конструировании плазменных установок, предназначенных для решения ряда актуальных технологических задач, таких как производство материалов с особыми физико-химическими, биологическими и эксплуатационными свойствами; а также для проектировщиков бортовых энергоустановок перспективных космических летательных аппаратов и средств их наземной отработки. конструкторов плазмохимических реакторов, предназначенных для производства материалов с особыми физико-химическими, биологическими и эксплуатационными свойствами; при планировании экспериментальных работ по исследованию пылевой плазмы, разработке плазменных технологий для обработки поверхностей и синтезе новых материалов в микроэлектронике и медицине; развития методов диагностики плазмы; для развития теории нелинейных плазменных волн; для повышения эффективности удержания плазмы в магнитных ловушках.