Физика плазмы

Выполнен численный анализ влияния уточненных параметров модернизированной системы нейтральной инжекции мощностью 6 МВт в плазму токамака Т-15МД. Определена эффективность генерации тороидального тока в плазме, рассчитаны профили поглощенной мощности инжектируемого нейтрального пучка, запас устойчивости, бутстрэп-ток. Исследуется возможность замещения омического тока в плазме током, генерируемым модернизированной системы нейтральной инжекции. Сравниваются результаты расчетов для нейтральных пучков с моноэнергетическим распределением и с более сложным трехкомпонентным энергетическим составом. Впервые для расчетов будущих разрядов Т-15МД с нейтральной инжекцией использовался код NUBEAM в связке с кодом ASTRA. В расчетах учитывалась реальная геометрия инжекторов и параметры ионных источников. Результаты расчетов, выполненные с использованием кода NUBEAM, сравниваются с результатами расчетов, полученные с помощью новой версии модуля нейтральной инжекции ASTRA-NBI, а также с применением кода BTR, оптимизирующего параметры нейтральной инжекции. В результате вычислений показано, что доля тока, генерируемого модернизированной системой нейтральной инжекции, составила около 30%.

Представлены результаты экспериментов и радиационных магнитогидродинамических расчетов электрического взрыва плоских медных проводников в мегагауссных магнитных полях. Эксперименты проводились на установке тераваттного диапазона МИГ при уровне тока до 2.5 МА и фронте его нарастания 100 нс. Использовались проводники, ширина которых (по осиx) много больше их толщины (по оси y), а ток протекает в направлении оси z. Экспериментально показано, а РМГД-расчетами подтверждено, что проводник расширяется по толщине вдоль оси y, а вдоль оси x по ширине разлет плазмы подавлен. Это связано с усилением магнитного поля на краях проводника, что обуславливает и более ранний взрыв торцевых граней. Вещество с торцевых граней в виде малоплотной плазмы слетается к центру симметрии широких граней пластинки. В результате на широкой грани проводника (плоскость xz) вдоль ее продольной оси z, примерно к 75 нс от начала протекания тока формируется плазменный канал. Получены рентгенограммы просвечивания проводников рентгеновским излучением из “горячей точки” Х -пинча. Зарегистрированное расширение проводника по координате y хорошо согласуется с расчетными данными.

Исследован порог абсолютной параметрической распадной неустойчивости в неоднородной плазме, возникающей при наличии двух точек распада в зависимости от ширины пучка волн накачки.

Представлены расчеты температуры электронов по спектральным линиям атомов железа и платины в плазмохимическом процессе получения платиновых катализаторов – наночастиц платины на микрочастицах оксида алюминия в качестве носителя. Процесс инициировался микроволновым разрядом в смеси порошков, состоящей из микрочастиц платины и γ-Al₂O₃, в результате обработки мощными (до 400 кВт) импульсами микроволнового излучения, источником которого служил гиротрон, работающий на частоте 75 ГГц. Показано, что процесс приводит к образованию наночастиц платины на поверхности микрочастиц оксида алюминия, измерены спектральные характеристики процесса и проведена оценка температур. Полученные данные указывают на возможность переноса частиц платины на поверхность частиц оксида алюминия через газовую фазу.

Рассмотрена зарядка пылевых частиц микронного размера в многокомпонентной плазме влажного воздуха и газовых смесей H₂O:O₂:N₂ при различных скоростях ионизации газа внешним источником ионизации. Заряд пылевых частиц определялся на основе кинетической модели ионно-молекулярных процессов, включающей более 600 реакций для электронов, отрицательных и положительных ионов, включая гидратированные ионы, содержащие до 12 молекул воды. Установлено, что несмотря на пренебрежимо малую концентрацию электронов вдали от пылевой частицы в невозмущенной плазме, заряд пылевых частиц во влажном воздухе при превышении скорости ионизации газа критического значения определяется именно потоком электронов. Это приводит к достаточно высоким значениям заряда пылевых частиц, сравнимых с зарядом в электроположительных газах. Проведены исследования влияния скорости ионизации газа и его состава на величину заряда пылевых частиц. Проведен сравнительный анализ полученных данных с результатами аналитической теории зарядки частиц при повышенных давлениях. Рассмотрен вопрос о влиянии поляризации заряда частицы под действием точечного заряда иона (электрона) на величину заряда пылевых частиц.

Представлены результаты измерения спектральных и дозовых характеристик импульсно-периодического рентгеновского излучения, генерируемого плазменным ускорителем. Устройство функционирует на принципе автофазировки электронов в осциллирующем электрическом поле СВЧ-резонатора, реализуемом в сценарии автоматического поддержания электронного циклотронного резонанса при медленном временном изменении магнитного поля в зоне гиромагнитного авторезонанса. Установлено, что электроны генерируемых плазменных сгустков в процессе ускорения достигают энергий до 0.5 МэВ. Вследствие многократного ускорения и торможения электронов в СВЧ-поле происходит генерация жесткого рентгеновского излучения, представляющего интерес для радиационных технологий. Показано, что тормозное излучение сгустков обладает выраженной анизотропией, экспериментально определены пространственные области с его максимальным выходом. Измеренная средняя мощность поглощенной дозы для биологической ткани составила 2 мГр/с. Определены условия повышения мощности тормозного излучения ускорителя при росте количества ускоренных электронов и их энергии. Исследовано сопутствующее характеристическое излучение плазмообразующего газа и элементов конструкции ускорителя, обращенных к плазме.

Рассмотрены основные физические процессы, определяющие потоки заряженных частиц на отрицательный металлический электрод, погруженный в полностью ионизованную изотропную плазму. Определены уравнения для описания движения заряженных частиц в плазме как вблизи металлического электрода, находящегося под постоянным отрицательным потенциалом Ψ₀, так и вдали от него. Выполнены расчеты потоков заряженных частиц из плазмы на электрод в области разделения зарядов вблизи поверхности электрода при больших значениях отношения электрического потенциала электрода Ψ₀ к электронной температуре T_e плазмы: eΨ₀/T_e ≫ 1. Рассчитаны плотности электрических токов ионов и электронов из плазмы на электрод. Показано, что в конкретном случае взаимодействия отрицательного электрода из титана с естественной оксидной пленкой толщиной около 10 нм с импульсной плазмой плотностью n_i = 10¹³ см⁻³, в результате передачи заряда поверхности пленки потоком ионов из плазмы, внутри пленки возникают электрические напряжения около 6 В, и соответствующее сильное электрическое поле около 6 МВ/см за характерные времена 5–8 мкс. Такое сильное электрическое поле приводит к электрическому пробою тонкой пленки и возбуждению микроплазменных разрядов на титане. Уменьшение плотности плазмы существенно снижает вероятность возбуждения микроплазменных разрядов на поверхности металлического электрода.

В области длин волн 290–450 нм методами кинетической спектроскопии исследовано излучение плазмы низкочастотного барьерного разряда в неоне при давлении 1.4–1.7 Торр, формируемое переходами между возбужденными состояниями иона Ne⁺. Обсуждается различие относительных интенсивностей ионных линий на разных стадиях эволюции плазмы – от прямого возбуждения с ионизацией из основного состояния атома электронным ударом в активной стадии (разряде), сменяющееся переходом по мере релаксации температуры электронов к рекомбинационному послесвечению. Последнее обусловлено процессом ударно-радиационной рекомбинацией двухзарядных ионов Ne²⁺ c электронами, создающим при плотности последних [e] ≈ 10¹¹ см⁻³ поток заселения некоторых уровней Ne⁺*, сравнимый c возбуждением электронами на стадии создания плазмы. Значительное количество ионных линий, отвечающих переходам из состояний с главным квантовым числом n = 3, содержит промежуточную стадию, объяснение которой строится на основе подтвержденной экспериментом гипотезы об участии в их возбуждении долгоживущих атомов неона в метастабильных состояниях. Напротив, спектральные линии переходов из возбужденных состояний иона Ne⁺* конфигураций 2s²2p⁴(³P₂)4f оказались свободными от этой стадии.