Системы создания плазмы

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
Cs0
Cs+
– работа выхода Вольфрам φ=4,5 эВ
I – потенциал ионизации
Водород – 13,6 эВ
Цезий – 3,89 эВ
n~108 см-3

Ионизация излучением
Однофотонная ионизация hν > I ~ 13 эВ – вакуумный ультрафиолет (λ ~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-
Плазма
H2+e=H2++2e
H2+e=H+H++2e
Сечение ионизации молекулярного водорода
(база данных ALADDIN: http://www-amdis.iaea.org/ALADDIN/)
U

Ионизация внешними электронами
Разряд с осциллирующими электронами
При концентрации газа <1015 см-3 необходимо многократное прохождение электронов через рабочий объем
Катод
e-
Плазма
Ug=+200 В
Uс=0
Ионизационная лампа Байарда-Альперта

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
Катод 0 В
Магниторазрядный насос

Разряд с осциллирующими электронами
Магнетронный разряд
Анод +1000 В
Катод 0 В
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 1015 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 – λ., то вероятность того, что он пройдет без столкновений расстояние z, равна W(z) = exp(-z/ λ). На пути один сантиметр среднее число столкновений, очевидно, равно 1/ λ, а число пробегов длиной, большей или равной z, будет определяться выражением
P(z) = (1/λ) · exp(-z/ λ).
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:
γ - второй коэффициент Таунсенда -
коэффициент вторичной эмиссии
α - первый коэффициент Таунсенда -
количество актов ионизации
на единицу длины пробега
Электрический пробой в газах
В другом виде:

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

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 (10-40 В)
Высокая плотность тока (102-103 А/см2 )
Термическая ионизация газа в межэлектродном промежутке (Т =4000-6000 К)
Термоэлектронная эмиссия на катоде

Плазмотроны
Плотность теплового потока ~

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

Плазменные пушки (АМБАЛ)
Начальная плазма АМБАЛ 1013 см-3, 20 см, 1.5 Тл
Кольцевая плазменная пушка
плотность 1013 – 1015 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*1013 см-3, 11 см, 0,22 Тл, пробки 15 Тл
Плазменная пушка в неоднородном магнитном поле
плотность 1013 – 1014 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