С.В. Полосаткин ТПЭ Системы создания плазмы Полосаткин Сергей Викторович, тел пятница, –

Системы создания плазмы Современные плазменные установки требуют создания начальной (мишенной) плазмы Поверхностная ионизация – Q машина Ионизация излучением (фотоионизация) Ионизация электронами (газовый разряд)

Q - машина Термическая ионизация Формула Саха: Водород – 13,6 эВ Цезий – 3,89 эВ

Q - машина Термическая ионизация Формула Саха-Ленгмюра: T=2500 K Cs 0 Cs + – работа выхода Вольфрам =4,5 эВ I – потенциал ионизации Водород – 13,6 эВ Цезий – 3,89 эВ n~10 8 см -3

Ионизация излучением Однофотонная ионизация h > I ~ 13 эВ – вакуумный ультрафиолет ( ~100 нм) Многофотонная ионизация – пробой в поле излучения Требуется источник излучения с большой плотностью энергии (лазер)

Ионизация электронным ударом Сечение ионизации (формула Томсона)

Ионизация внешними электронами (несамоподдерживающийся разряд) Доля атомарного водорода 3-6% Катод e-e- Плазма H 2 +e=H e H 2 +e=H+H + +2e Сечение ионизации молекулярного водорода (база данных ALADDIN: U

Ионизация внешними электронами Разряд с осциллирующими электронами При концентрации газа

Электроны осциллируют в области полого катода Ионы распыляют поверхность катода Лампа с полым катодом для спектрального анализа Разряд с осциллирующими электронами Разряд с полым катодом

Разряд с осциллирующими электронами Мультипольная магнитная стенка

Разряд с осциллирующими электронами Пенинговский разряд Анод +500 В Катод 0 В B Магниторазрядный насос

Разряд с осциллирующими электронами Магнетронный разряд Анод В Катод 0 В B Магнетрон

Разряд с осциллирующими электронами Магнетронный разряд Магнетронная распылительная установка

Безэлектродные разряды в ВЧ - поле Индуктивный разряд (inductively coupled plasma) Электрическое поле генерируется индукционной катушкой Характерная рабочая частота 13,56 МГц Плотность плазмы до см -3 Электронная температура 1-3 эВ ВЧ эмиттер ионного источника

Безэлектродные разряды в ВЧ - поле Емкостной разряд (capacitevely coupled plasma) газ диэлектрик

Безэлектродные разряды в ВЧ - поле ВЧ разряды Существуют высокоэффективные источники микроволнового излучения – магнетроны (2,45 ГГц) Магнетрон Волновод Резонатор Магнетрон Волновод Резонатор B Электронно-циклотронный резонанс 2,45 ГГц – 87 мТл

Количество свободных носителей мало (электрическое поле не искажается пространственным зарядом) Образование вторичных электронов: - ионизация газа электронным ударом - эмиссия с катода из-за бомбардировки ионами катод предположив, что электрон ионизирует атом, если в процессе его ускорения в электрическом поле он достигает энергии, превышающей потенциал ионизации: e E z > I. Таунсенд нашел явный вид z Если длина свободного пробега электрона –., то вероятность того, что он пройдет без столкновений расстояние z, равна W(z) = exp(-z/ ). На пути один сантиметр среднее число столкновений, очевидно, равно 1/, а число пробегов длиной, большей или равной z, будет определяться выражением P(z) = (1/ ) · exp(-z/ ). Б.А.Князев.Низкотемпературная плазма и газовый разряд Новосибтрск 2003 Развитие разряда Таунсендовская теория пробоя

Длина свободного пробега обратно пропорциональна плотности газа Тогда первый коэффициент Таунсенда Распределение по длине - уравнение непрерывности рекомбинацией пренебрегаем Плотность электронов экспоненциально возрастает при их движении к аноду- ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАВИНА Электрический пробой в газах

Условие зажигания разряда: - второй коэффициент Таунсенда - коэффициент вторичной эмиссии - первый коэффициент Таунсенда - количество актов ионизации на единицу длины пробега Электрический пробой в газах В другом виде:

Кривая Пашена длина свободного пробега UfUf Напряжение пробоя Электрический пробой в газах

Напряжение на промежутке Разрядный ток в амперах Темный разрядТлеющий разряддуга VfVf Нормальный тлеющий разряд Электрический разряд в газах

Тлеющий разряд В разрядном промежутке устанавливается самосогласованное распределение потенциала Напряжение на разряде и плотность тока разряда постоянны

Дуга Разогрев поверхности катода за счет ионной бомбардировки Термоэлектронная эмиссия Образование катодных пятен

Свойства дуги как разряда в газе Ud=α+β×l Малое приэлектродное падение потенциала α ( В) Высокая плотность тока ( А/см 2 ) Термическая ионизация газа в межэлектродном промежутке (Т = К) Термоэлектронная эмиссия на катоде ldld Ua Uk Ud КатодАнод

Плазмотроны Плотность теплового потока ~

Дуговые источники плазмы Дуоплазмотрон Дуга 1200 А, 90 В, 5 мс

Плазменные пушки (АМБАЛ) Начальная плазма АМБАЛ см -3, 20 см, 1.5 Тл Кольцевая плазменная пушка плотность – см -3 Температура 2 – 20 эВ Радиальное электрическое поле приводит к турбулентному нагреву плазмы (неустойчивость Кельвина - Гельмгольца) Тe до 50 эВ

Плазменные пушки (ГДЛ) Начальная плазма АМБАЛ 4*10 13 см -3, 11 см, 0,22 Тл, пробки 15 Тл Плазменная пушка в неоднородном магнитном поле плотность – см -3 Температура 2 – 20 эВ

Система создания начальной плазмы (ГОЛ-3) ЗАДАЧИ Создание начальной ионизации и организация встречного тока в 12-метровой металлической вакуумной камере Уменьшение энергетической нагрузки на электроды и приемник пучка

Конструкция источника плазмы Перенос приемника пучка в область расширителя с пониженным магнитным полем Использование электродов, расположенных вне области прохождения пучка ЗАДАЧИ Создание начальной ионизации и организация встречного тока в 12-метровой металлической вакуумной камере Уменьшение энергетической нагрузки на электроды и приемник пучка

Схема питания источника плазмы -Электроды 2,3 используются для инициирования пробоя в широком диапазоне плотности -Приемник пучка во время инжекции находится под плавающим потенциалом -Принудительная компенсация тока пучка обратным током по плазме JoutJtestJ(z) 5 кА