ИСТИНА

Настоящий проект направлен на исследование физических механизмов поглощения ВЧ мощности, транспорта электронов в аксиальном направлении, формирования энергетического распределений электронов и ионов, изучение параметров плазмы новой модификации ВЧ разряда низкого давления, возбуждаемого системой токов и зарядов при наличии внешнего радиального магнитного поля. В настоящее время хорошо известны модификации разряда постоянного тока, помещенного в магнитное поле с преимущественной радиальной компонентой. В течение нескольких десятилетий такой разряд является объектом пристального фундаментального исследования и практического применения в качестве рабочего процесса электрореактивных двигателей. Одной из фундаментальных проблем разряда является выяснение физического механизма и организация переноса электронов, эмитируемых катодом, поперек магнитного поля в основной объем плазмы. В настоящем проекте предлагается заменить разряд постоянного тока высокочастотным разрядом, помещенным во внешнее магнитное поле с преимущественной радиальной компонентой. Такой подход является новым, не имеющим мировых аналогов. Как известно, в емкостном ВЧ разряде вблизи электродов формируются слои пространсвенного заряда, где возникает электрическое поле. Предварительный анализ, выполненный авторами проекта, показал, что наличие внешнего радиального магнитного поля должно привести к возникновению азимутального дрейфа электронов в областях локализации слоев объемного заряда. Азимутальный дрейф в скрещенных полях, в свою очередь, должен привести к локальному росту концентрации плазмы, изменению пространственного распределения потенциала плазмы и энергетического распределения ионов. Необходимо подчеркнуть, что переменный во времени характер изменения потенциала плазмы в слоях пространственного заряда позволит в определенные промежутки времени осуществить транспортировку электронов, эмитируемых катодом, в основной объем плазмы. Это должно привести к существенным отличиям высокочастотного разряда от известного разряда постоянного тока, помещенного в магнитное поле с преимущественной радиальной составляющей. Еще одной особенностью высокочастотного разряда, помещенного в магнитное поле, является возможность оптимизации энерговклада за счет резонансного возбуждения геликонов и косых ленгмюровских волн. Необходимо отметить, что ранее исследований областей резонансного возбуждения геликонов и косых ленгмюровских волн в высокочастотном разряде, помещенном во внешнее магнитное поле с преимущественной радиальной компонентой в литературе не проводилось. В рамках проекта предполагается экспериментально и с помощью численного моделирования изучить пространственное распределение энергетического распределения и концентрации электронов, потенциала плазмы, а также энергетического распределения ионов, прояснить механизм переноса заряда в разряде, теоретически выяснить условия резонансного возбуждения геликонов и косых ленгмюровских волн при наличии магнитного поля с преимущественной радиальной составляющей и выявить условия наилучшего энерговклада в указанную модификацию ВЧ разряда. В результате выполнения проекта предполагается построить физическую модель разряда, описывающую динамику заряженных частиц в разряде, механизм поглощения ВЧ мощности. Экспериментально предполагается рассмотреть две модификации разряда. В первой модификации рассматривается емкостной ВЧ разряд в диэлектрическом канале, в котором создается магнитное поле с преимущественной радиальной составляющей. Вторая модификация представляет собой индуктивный ВЧ разряд, зажигаемый в источнике плазмы с отверстием или соплом для истечения плазмы, причем в области сопла располагаются электроды для емкостного ввода ВЧ мощности в плазму. Магнитное поле с преимущественной радиальной компонентой локализуется в области истечения плазмы.

1 этап (2013 г.): 1. Выполнено математическое моделирование физических процессов в емкостном ВЧ разряде, помещенном во внешнее радиальное магнитное поле PIC методом. В работе использовалась двумерная осесимметричная версия, в которой учитываются все компоненты скорости частиц. Рассмотренная геометрия источника плазмы близка к геометрии Холловского плазменного двигателя. В работе рассмотрено 3 случая. В первом случае разрядный канал с торцов был закрыт электродами, к которым прикладывалось ВЧ напряжение. Во втором случае – один из электродов параллельным переносом был вынесен за пределы канала. В третьем случае электрод был смещен к границе счетной области так, что его поверхность не перекрывала выходное отверстие канала. Предполагалось, что электрод может быть источником эмиссии электронов. Значения тока эмиссии полагались равными 0.01, 0.1 и 1А. В модели учитывались упругие и неупругие столкновения электронов с атомами ксенона Расчеты выполнялись при концентрациях ксенона 3.1013см-3 – 5.•1014см-3, для уменьшения времени счета масса ионов взята равной 2000 массам электронов. Расчеты показали, что вблизи электродов возникают приэлектродные скачки потенциала, причем скачок потенциала у эмитирующего электрода возрастает с уменьшением тока эмиссии. Наличие продольного электрического поля и радиального магнитного поля приводит к возникновению азимутального дрейфа электронов. Рост напряжения, приложенного к электродам, тока эмиссии, плотности атомов и величины магнитного поля приводят к увеличению плотности электронов в канале. Скачок потенциала, возникающий вблизи среза канала, приводит к ускорению ионов и образованию потока ускоренных ионов на выходе из источника плазмы. В разряде постоянного тока, помещенного в радиальное магнитное поле, разряд поддерживается электронами, эмитируемыми с катода. Перенос электронов от катода к аноду поперек магнитного поля возможен благодаря наличию пристеночной проводимости, возникновению дрейфовой неустойчивости, генерации вторичных электронов при соударении электронов и ионов со стенками канала. Горение ВЧ емкостного разряда, помещенного во внешнее радиальное магнитное поле, возможно без организации термоэлектронной эмиссии с одного их электродов. Возникающее рядом с электродами квазистационарное падение потенциала приводит к ускорению электронов и эффективной ионизации атомов высокоэнергетичными электронами. Дополнительным процессом, приводящим к рождению электронов в разряде, является ионно-электронная эмиссия, возникающая на электродах и стенках канала. Ток, текущий между электродами в разряде, содержит не только активную, но и реактивную (ток смещения) составляющие. Это обеспечивает стационарное горение разряда. 2. В рамках проекта для реализации емкостного ВЧ разряда с внешним радиальным магнитным полем создана лабораторная модель источника плазмы, представляющая собой два коаксиальных стеклянных цилиндра, закрытых с одной из сторон стеклянным фланцем. В канале между цилиндрами располагался кольцевой активный электрод и газораспределитель, служащий для подачи газа в разрядный канал. С помощью постоянных магнитов на выходе из канала создавалось радиальное магнитное поле. Измерения проводились при величинах магнитного поля в канале 70Гс, 100Гс и 150Гс. На срезе разрядного канала устанавливалось металлическое кольцо, выполнявшее роль заземлённого электрода. Измерения энергетического распределения ионов на выходе из канала разряда показали, что в струе плазмы присутствуют ускоренные ионы с двухгрупповым энергетическим распределением. Группа быстрых ионов возникает в результате ускорения ионов в квазистационарном электрическом поле, возникающем на границе разрядного канала, группа медленных ионы появляется, по-видимому, в результате упругих столкновений с ионами и атомами остаточного газа. Энергия и плотность ионов в струе растут при увеличении амплитуды напряжения на электродах и величины радиального магнитного поля в разрядном канале. 3. Для реализации второй модификации разряда создана цилиндрическая газоразрядная камера с отверстием или соплом для истечения плазмы. Магнитное поле с преимущественной радиальной компонентой локализуется в области истечения плазмы. Для поддержания разряда на внешней поверхности источника плазмы располагается индуктор. На внешней стороне сопла устанавливается электрод, формирующий емкостной канал разряда. Электрод соединяется с индуктором через разделительную емкость. Таким образом, для поддержания разряда и получения плотной плазмы используется индуктивная составляющая разряда, емкостная составляющая разряда используется для увеличения энергии ионов на выходе из источника плазмы. Экспериментальные исследования энергетического распределения на выходе из источника плазмы показали наличие ионов с энергией 40-300 эВ. Энергия ионов растет с увеличением индукции внешнего магнитного поля, уменьшения размера выходного отверстия и при использовании дополнительного емкостного канала разряда. Наибольшая энергия ионов получена при использовании конфигурации магнитного поля, обладающего радиальной компонентой в области истечения плазмы. 4. Результаты измерения пространственного распределения потенциала плазмы в объеме источника показали, что на выходе из источника формируется скачок потенциала, величина которого коррелирует с величиной энергии ионов на выходе из источника. Этап 2 (2014г.) 1. В рамках проекта для реализации емкостного ВЧ разряда с внешним радиальным магнитным полем создана лабораторная модель источника плазмы, представляющая собой два коаксиальных диэлектрических цилиндра диаметром 5 см , 8 см и длиной 3 см. В канале между цилиндрами располагался кольцевой активный электрод и газораспределитель, служащий для подачи газа (аргона) в разрядный канал. С помощью электромагнитов в канале создавалось радиальное магнитное поле. Измерения проводились при величинах магнитного поля в канале 0 – 500 Гс. ВЧ разряд в аргоне зажигался между активным электродом и стенками вакуумной камеры, где располагался источник плазмы. Измерения проводились с помощью зондов Ленгмюра, расположенных в канале и на расстоянии 2 см от среза канала вне него. В результате экспериментальных исследований свойств емкостного ВЧ разряда с внешним радиальным магнитным полем было обнаружено, что 1.1. самостоятельный разряд существует при давлениях более 1мТор. 1.2. разряд локализуется как в канале источника, так и вне него - на расстояниях 1-3 см от среза источника плазмы. На геометрию и местоположение разряда в канале существенное влияние оказывает величина магнитного поля. 1.3. величина зондового ионного тока насыщения быстро растет с увеличением индукции магнитного поля в области магнитных полей 0 – 200 Гс, как в канале, так и вне него. При магнитных полях более 200 Гс рост ионного тока существенно замедляется. Ионный ток насыщения растет с подводимой к разряду мощности и давлением аргона. 1.4. на границе ярко светящейся части разряда возникает скачок потенциала величиной 200 – 300 эВ. Величина скачка потенциала слабо зависит от индукции магнитного поля и давления. 1.5. При давлениях порядка 5 мТор и выше появляется азимутальная неоднородность разряда. Неоднородность разряда усиливается при высоких магнитных полях более 200 Гс. 2. Для реализации второй модификации разряда создан сложный двухкамерный источник плазмы, состоящий из цилиндрической газоразрядной камеры диаметром 8см, высотой 20см и камеры диаметром 46см, высотой 30см. В экспериментах использовались две модификации газоразрядной камеры меньшего диаметра. В первом случае в нижней части камеры было выполнено отверстие диаметром 7.4см, а во втором случае – сужение диаметром 2см. Система электромагнитов могла создавать однородное в продольном направлении магнитное поле или магнитное поле с радиальной компонентой на границе между камерами. Для поддержания разряда на внешней поверхности газоразрядной камеры меньшего диаметра располагался индуктор. 2.1. В результате экспериментальных исследований свойств индуктивного ВЧ разряда с внешним однородным магнитным полем, выполненных с источниками плазмы сложной геометрии, было обнаружено образование плазменного столба, замыкающего разряд на нижний заземленный фланец. Радиус плазменного столба примерно равен радиусу наименьшей из частей источника плазмы. Образование плазменного столба наблюдается при условии, когда электроны замагничены, а длина свободного пробега электронов в направлении, параллельном магнитному полю, больше характерных размеров источника плазмы. Изменение конфигурации магнитного поля приводит к изменению геометрической формы плазменного столба. 2.2. Изменение величины индукции однородного магнитного поля приводит к появлению резонансных областей поглощения ВЧ мощности, а также смещению положения областей максимальной концентрации электронов. Это связано с возбуждением пространственных мод связанных между собой геликонов и косых ленгмюровских волн. Изменение индукции внешнего магнитного поля при давлениях менее 0.5мТор позволяет управлять пространственным распределением плотности плазмы. 2.3. В случае использования однородного магнитного поля и газоразрядной камеры с сужением на границе между газоразрядной и основной камерами наблюдается скачок потенциала. Знак и величина скачка потенциала зависит от давления рабочего газа. При давлениях менее 0.1мТор потенциал плазмы в камере большего диаметра выше, чем в камере меньшего диаметра. При давлениях более 1мТор скачок потенциала изменяет знак. 2.4. Наличие радиальной составляющей магнитного поля на границе между камерами приводит к изменению формы разряда и увеличению величины скачка потенциала при давлениях более 1 мТор. 3. Рассмотрен процесс нагрева плазмы в плазменном канале, помещенном в скрещенные постоянное радиальное магнитное поле и ВЧ электрическое поле, индуцированное антенной с азимутальным током, помещенной на внешней поверхности канала. Основные предположения и математическая формулировка задачи подробно рассмотрены в приложении 2. Область величин индукции магнитного поля соответствует условиям возбуждения геликонов и косых ленгмюровских волн. Показано, что при рассмотренных условиях значения эквивалентного сопротивления плазмы, являющееся мерой способности плазмы поглощать ВЧ мощность, являются исчезающе малыми. Таким образом, возбуждение геликонных и косых ленгмюровских волн с целью усиления энерговклада в плазму при рассмотренных геометрических размерах источника плазмы является малоэффективным. 4. Выполнено математическое моделирование условий возбуждения геликонов и косых ленгмюровских волн в источнике плазмы второй модификации. Показано, что физически условия существования разряда можно разделить на три области по концентрации электронов. Вначале (ne<3*10^11см-3) в плазму проникает только косая ленгмюровская волна, область резонансного возбуждения волн лежит при магнитных полях менее 100Гс. Затем по мере увеличения концентрации электронов (ne~5*10^11см-3) в плазму проникают обе волны, нагрев происходит преимущественно за счет бесстолкновительного механизма. Магнитные поля, соответствующие резонансному возбуждению, составляют величины порядка 200-400Гс. Наконец при ne>3*10^12см-3 косая ленгмюровская волна становится поверхностной за счет подключения электрон-ионных столкновений. Проникновение геликонов в плазму не изменяется. Основным процессом поглощения ВЧ мощности в разряде становится столкновительный механизм. Величина резонансного магнитного поля составляет 600-800Гс. В целом, по мере увеличения концентрации электронов области резонансного энерговклада по магнитному полю расширяются, уменьшаясь по своему абсолютному значению. Рост геометрического размера источника плазмы и рабочей частоты приводят к смещению областей резонансного возбуждения геликонов и косых ленгмюровских волн в область больших магнитных полей. 3 этап (2015 г.): 1. Собран экспериментальный источник плазмы, позволяющий реализовать емкостной ВЧ разряд, горящий во внешнем магнитном поле с преимущественной радиальной составляющей. Разряд зажигается в диэлектрическом канале между активным электродом и стенками вакуумной камеры, в которой располагается источник. Система электромагнитов и магнитопроводов позволяет создавать у среза канала магнитное поле с преимущественной радиальной составляющей. 2. Выполнены измерения энергетических распределений ионов в потоке плазмы, выходящем из разрядного канала, интенсивности свечения спектральных линий аргона, параметров плазмы в разрядном канале зондовым методом, продольного распределения зондового ионного тока насыщения на пристеночные зонды, установленные вдоль стенок канала в зависимости от величины внешнего радиального магнитного поля в диапазоне 40 – 150Вт, расхода аргона в диапазоне 0.6 – 1.6 мг/с и мощности ВЧ генератора в диапазоне 150 – 200Вт. 3. Эксперименты показали, что значения концентрации электронов максимальны в области наибольших значений магнитного поля, достигаемых в районе среза разрядного канала. Максимально достигнутая в диапазоне рассмотренных значений внешних параметров разряда концентрация электронов составляет 2∙1011см-3. По мере продвижения вглубь канала концентрация плазмы падает, и на глубине 2 см становится в 2 – 3 раза меньше, чем на срезе. Эффективная температура электронов, определенная из зондовых ВАХ, увеличивается от 5 до 10 эВ при уменьшении расхода аргона до 0.6мг/c. Значения эффективной температуры быстрых электронов, определенные по отношению интенсивностей спектральных линий аргона, составляют величину 4.8 – 5эВ. 4. Измерения энергетического распределения ионов на выходе из канала показали наличие ускоренных ионов с энергией порядка 70эВ. 5. Наличие ускоренных ионов на выходе из канала, а также увеличение плотности плазмы в области максимума радиального магнитного поля свидетельствуют о формировании азимутального дрейфа электронов в скрещенных радиальном магнитном и продольном квазистационарном электрическом поле, возникающем на срезе канала. 6.Выполнены экспериментальные исследования аксиальной зависимости продольных компонент ВЧ магнитного поля и ВЧ тока, зондового ионного тока насыщения, концентрации и эффективной температуры электронов, потенциала плазмы от величины индукции внешнего магнитного поля в диапазоне 0 – 6мТл. Измерения проводились в аргоне в диапазоне давлений 0.7 – 5 мТор и гелии в диапазоне давлений 10 – 20 мТор. Значения рабочих частот составляли 2, 4 и 13.56МГц. Мощность ВЧ генератора изменялась в диапазоне 0 – 600Вт. 7. При отсутствии магнитного поля разряд концентрируется в газоразрядной камере. Увеличение величины магнитного поля при давлениях аргона менее 1мТор сначала приводит к появлению плазмы в верхней части основной вакуумной камеры, затем длина интенсивно светящейся части разряда в основной вакуумной камере начинает расти, и, наконец, разряд замыкается на нижней фланец, формируя протяженный плазменный столб. 8. Область существования разряда при работе на частотах 2 и 4 Мгц в диапазоне рассмотренных внешних условий оказывается ограниченной со стороны больших магнитных полей. Превышение некоторой критической для каждого набора внешних условий величины магнитного поля приводит к переходу разряда в моду с низкой интенсивностью свечения или его погасанию. 9. При отсутствии магнитного поля продольная компонента ВЧ магнитного поля максимальна в области локализации антенны. При рабочей частоте 4МГц рост магнитного поля до 1.2мТл сопровождается увеличением амплитуды поля во всех точках на оси источника плазмы, фаза ВЧ магнитного поля в пределах погрешности эксперимента постоянна. При магнитном поле 30Гс в разряде начинает формироваться бегущая волна. Дальнейшее увеличение магнитного поля приводит к появлению частично бегущей волны, для которой характерно появление локальных максимумов и минимумов аксиальной зависимости продольной компоненты ВЧ магнитного поля. При магнитном поле 45Гс разность между фазами, измеренными в области верхнего фланца и металлического фланца, разделителяющего газоразрядную и основную камеры, а также в области разделительного и нижнего фланцев, близка к 180. Дальнейшее увеличение магнитного поля практически не влияет на аксиальное распределение продольной компоненты ВЧ магнитного поля пока при магнитном поле 6мТл не происходит срыв разряда. Рост рабочей частоты до 13.56МГц сопровождается увеличением числа локальных минимумов и максимумов поля. 10. Исследования радиальной зависимости магнитного поля в центральном сечении основной вакуумной камеры показали, что ВЧ магнитное поле проникает в плазму и его значения максимальны на оси источника. ВЧ продольный ток немонотонно зависит от радиуса источника плазмы. Рост магнитного поля сопровождается увеличением значений тока на оси источника. 11. При отсутствии магнитного поля разряд сосредоточен в газоразрядной камере. По мере увеличения магнитного поля при давлениях аргона менее 1мТор возрастают значения зондового ионного тока насыщения и концентрации электронов в основной вакуумной камере, причем на частотах 4 и 13.56МГц и магнитных полях, превышающих 35Гс, значения ионного тока и концентрации плазмы в основной камере становятся существенно больше, чем аналогичные величины, измеренные в газоразрядной камере. Рост давления выше 1мТор сопровождается понижением значений концентрации электронов в основной вакуумной камере. 12. В области сочленения газоразрядной и основной камер наблюдается скачок потенциала, а также «провал» концентрации электронов, которые уменьшаются с ростом магнитного поля. Так, при отсутствии магнитного поля скачок потенциала, препятствующий прохождению электронов из газоразрядной камеры в основную превышает 20эВ, в то время как при магнитном поле 50Гс скачок потенциала уменьшается до 5В. Это сопровождается увеличением числа электронов, способных преодолеть потенциальный барьер между камерами.