Magnetoplazmeni kompresor

1. МАГНЕТОПЛАЗМЕНИ КОМПРЕСОР

Магнетоплазмени компресор (МПК) је квазистационарни плазма убрзавач са сопственим азимуталним магнетним пољем и извор компресионих плазма млазева (КПМ). Убрзавање замагнетисане плазме остварује се дрифтним убрзавањем јона и електрона у укрштеном електричном и магнетном пољу [6]. Анодне шипке су екраниране сопственим магнетним пољем, па је ерозија аноде у потпуности отклоњена.

1.1 Квазистационарни коаксијални плазма убрзавачи са сопственим магнетним пољем

Плазма убрзавачи су извори плазме који омогућују добијање усмерених

млазева плазме у одређеном временском интервалу. Убрзавање плазме је праћено појавом сажимања млаза плазме. Под појмом убрзавања плазме подразумева се убрзавање јона уз очување квазинеутралности плазме [7]. Јони се могу убрзати или запреминским електричним пољем или градијентом притиска. Убрзање јона градијентом притиска искоришћено је код различитих типова плазмотрона, где се градијент притиска остварује загревањем плазме.

Морозов је у свом раду из 1957. године [1] показао могућност добијања запреминских електричних поља и у идеално проводним плазмама. То се може остварити коришћењем јаког магнетног поља, при чему електрони ротирају око магнетних линија сила и остају, практично, везани за њих. Замагнетисавање електрона омогућује локализацију њиховог кретања, односно кретање електрона нормално на магнетне линије сила постаје веома отежано, те се у овом правцу и формира електрично поље. С друге стране, формирањем електричног поља нормално на магнетне линије сила омогућено је дрифтно кретање електрона

rr. Уколико је за јоне испуњено 2/ BBEue

r×=⊥ EBui

rrr ~× , онда и они постају

замагнетисани и дрифтују у укрштеном магнетном и електричном пољу. Уколико се количниок Е/В повећава у неком правцу, онда ће се повећавати и брзина дрифта. Дакле, дрифтни режим убрзавања се остварује у узајамно нормалном електричном и магнетном пољу, чији се однос повећава при удаљавању од неке, стартне, површине.

За нас су од посебног интереса коаксијални плазма убрзавачи са сопственим азимуталним магнетним пољем код којих је остварен дрифтни режим убрзавања. Они се одликују квазистационарношћу, која је у вези са спорим променама параметара плазме, при чему су карактеристична времена промена много мања од времена трајања самог пражњења. Квазистационарни плазма убрзавачи [8] се карактеришу временом живота плазме 100-1000 µs, које је много веће од времена прелета плазме кроз убрзавачки канал реда 1 µs.

Квазистационарни коаксијални плазма убрзавачи са профилисаном непрекидном анодом су извори квазистационарних плазма млазева, при чему је

1

2. Развој компресионог плазма млаза у азоту

брзина плазме реда одговарајуће Алфвенове брзине (и преко 100 km/s) [6,8]. У близини врха катоде долази до избацивања плазме ван убрзавачког канала и до њене компресије. Код свих плазма убрзавача са непрекидним електродама у јакострујним режимима уочава се клизање струје низ аноду, велики прианодни пад потенцијала и велика ерозија аноде. Даље повећање напона на електродама доводи до великог повећања ерозије аноде и до сатурације струје пражњења, тј. до појаве "кризе струје". Ови ефекти се могу објаснити постојањем прианодног слоја плазме слабе проводности и утицајем Холовог ефекта [9]. Наиме, дрифт електрона у укрштеном магнетном и електричном пољу је много већи дуж аноде, него ка аноди. Зато је затварање струје пражњења на аноди отежано. Холов ефекат, с друге стране, доводи до разлике међу трајекторијама јона и електрона. Уколико је Холов ефекат јако изражен, као што је случај код плазма убрзавача са непрекидним електродама, онда су трајекторије јона и електрона веома различите, односно јавља се недостатак јона у прианодном слоју, у коме настаје велики скок потенцијала. Зато је неопходно да се електронски пренос струје замени јонским преносом, чиме се омогућава несметано затварање струјног кола [6].

Да би се омогућио јонски пренос струје, мора се обезбедити довод јона у убрзавачки канал кроз аноду, што се остварује коришћењем шипкасте аноде [6]. При томе је неопходно формирање довољне количине јона у заанодном простору, из кога јони, кроз шипкасте електроде, улазе у убрзавачки канал. 1.2 Основе рада магнетоплазменог компресора

Магнетоплазмени компресор (Сл. 1) је квазистационарни плазма убрзавач који ради у режиму јонског преноса струје [5,10-12]. Улаз јона у убрзавачки канал са стране аноде омогућен је шипкастом анодом. Између анодних шипки и зидова коморе образује се плазма запреминским струјама. Тако се гас, који окружује аноду, понаша као виртуелна електрода. На улазу у убрзавачки канал формира се зона јонизације (Сл. 2,3), која представља слој дебљине неколико милиметара у коме се врши потпуна јонизација упадних атома. У њој је сконцентрисан и највећи део струје пражњења.

Слика 1. Схема магнетноплазменог компресора.

Конусна катода магнетоплазменог компресора дефинише профил

убрзавачког канала. У међуелектродном делу МПК остварује се убрзавање плазме помоћу уздужне компоненте Амперове силе, Bjf

rrr×= [8], која настаје

као последица интеракције радијалне компоненте струје пражњења са

2


сопственим азимуталним магнетним пољем (Сл. 2). Убрзавање плазме се може посматрати и као последица деловања магнетног притиска на плазму [6]:

0

2

2µBpm = . (1.1)

Убрзавање плазме у профилисаном каналу под дејством магнетног

притиска је аналогон гаснодинамичкој млазници, где је брзина истицања гаса одређена брзином звука на улазу

000 /~ ρpuS . У "магнетоплазменој млазници" брзини звука одговара Алфвенова брзина:

ρµ0

BuA = , (1.2)

која представља локалну брзину сигнала.

Слика 2. Принцип рада магнетоплазменог компресора.

Ip

Bφz

FAr

FAz Iz

Ir

Bφ

-

| _________ _____ __

На улазу у убрзавачки канал сва енергија је сконцентрисана у магнетном

пољу. Ако посматрамо режим рада у коме се сва енергија на излазу претвара у кинетичку енергију плазме, тј:

2

2

0

2 uB=

ρµ, (1.3)

онда је максимална брзина плазме на излазу 02 Am uu = , односно у потпуности је одређена магнетним пољем на улазу, т.ј. струјом пражњења Ip (Сл. 2). За азот при јачини струје од 100 kA (0.4 Т на 5 cm) и концентрацији плазме у улазу од 1016 cm-3, брзина плазме на излазу је 33 km/s, а при концентрацији 5·1015 cm-3 одговарајућа брзина плазме је 46 km/s. За убрзавање плазме до локалне брзине сигнала, потребно је да се ширина канала смањујење, у минималном пресеку брзина плазме пролази кроз локалну вредност брзине сигнала [7], а за надзвучно убрзавање потребно је повећање ширине канала. Дакле, канал мора да има

3


облик Лавалове млазнице. Убрзавање је немогуће у каналима константног попречног пресека.

Истовремено са убрзавањем плазме долази до формирања компресионих плазма млазева на излазу из уређаја (Сл. 3). Сажимање компресионог плазма млаза настаје као последица деловања Амперове силе (Сл. 2), која настаје интеракцијом уздужне компоненте плазмене струје (излазне струје) са сопственим азимуталним магнетним пољем [5,13].

Компресиони ток плазме (Сл. 3) представља типичан пинч, и у њему је притисак азимуталног магнетног поља уравнотежен гасокинетичким притиском плазме p= nk (Tе+Тi):

)(2 0

2

ieB TTnkB+=

µ. (1.4)

Компресиони плазма млаз се, дакле, одржава магнетним пољем (магнетним притиском). КПМ се може сматрати динамичком подврстом Z пинча [14].

зона јонизације

компресиони плазма млаз

Слика 3. Компресиони плазма млаз. Код магнетоплазменог компресора, као и код свих плазма убрзавача,

уочена је тенденција сепарације јона по М/q [10,15], што као последицу има могућност чишћења плазма млаза од примеса, односно тешких јона. Зато је на врху катоде направљен отвор (дивертор). Наиме, како на јон делују електрична и Лоренцова сила, а за тешке јоне примеса електрична сила је већа од Лоренцове, то се они, пошто настају близу површине катоде, враћају на катоду (Сл. 4). Тешки јони који склизну низ катоду, услед великог притиска у компресионом млазу реда 104 Ра [5,11], враћају се назад ка катоди и улазе у дивертор. На дивертору се уочава таложење материјала који је еродирао са катоде (Сл. 4б). Дивертор, уједно, спречава интеракцију плазме компресионог млаза са катодом [6]. Количина примеса у КПМ је испод 1 % [11].

(a) (б)

Слика 4. а) Динамика јона бакра еродираних са катоде; б) Таложење материјала са катоде на улазу у дивертор.

4


Пошто је анода МПК транспарентна, сачињена од шипки, и заштићена сопственим магнетним пољем, то је ерозија аноде практично у потпуности избегнута.

Међутим, при већим струјама и мањим притисцима радног гаса уочена је појачана ерозије катоде МПК. Тада долази до клизања струје дуж катоде и образовања прикатодног скока потенцијала, односно долази до повећања електричног поља у близини катоде. Јони настали у зони јонизације крећу се ка катоди по циклоиди, односно дрифтују у укрштеном магнетном и електричном пољу. Дрифтно кретање је могуће за јоне који су, у средњем, од катоде удаљени на растојању већем од јонског Ларморовог радијуса. Јони који се налазе близу катоде не могу да дрифтују, већ падају на катоду, те се близу њене површине јавља мањак јона. Тиме се на катоди формира скок потенцијала. Проласком кроз ту прикатодну област до удара о катоду, јони добијају велику енергију, што доводи до појачане ерозије. Ерозија катоде је нарочито изражена на делу катоде наспрам међуанодног простора [15], јер се ерозија врши бомбардовањем јонима.

Важна карактеристика компресионих плазма млазева је и замрзнутост магнетног поља у плазми. На местима кочења плазме уочено је настајање струјних петљи, вортекса, као последица повећања електронске концентрације, односно магнетног поља. Наиме, на основу закона одржања магнетног флукса и закон континуитета имамо [16]:

constB=

ρ, constu =ρ (1.5)

Дакле, при наглом смањењу брзине, расте концентрација плазме. Са њеним порастом долази до повећања магнетног поља, односно формирања струјних петљи (вортекса). У тим областима увек се јавља локално повећање концентрације и температуре [17].

Квазистационарни компресиони млаз плазме први пут је реализован 1967. године, при раду магнетоплазменог компресора у азоту, а затим, убрзо, и у водонику [9,18]. 2. РАЗВОЈ КОМПРЕСИОНОГ ПЛАЗМА МЛАЗА У АЗОТУ 2.1. Експериментална поставка

2.1.1 Магнетоплазмени компресор компактне геометрије

Магнетоплазмени компресор је убрзавачко-компресиони плазма систем у коме се формирају високоенергетски квазистационарни компресиони плазма млазеви различитог састава. Ови уређаји могу радити као гасни или ерозиони системи, у вакууму или на притисцима од јако ниских до атмосферског [3,5,11,19-24], у режиму заосталог гаса или са импулсним убацивањем гаса. Стабилност плазменог млаза у квазистационарном делу пражњења, високи параметри плазме у компресионом млазу и могућност управљања параметрима плазме уз минималну количину примеса су главне карактеристике овог уређаја.

5


Магнетоплазмени компресор компактне геометрије (МПК-КГ; Сл. 5,6) први пут је конструисан у Совјетском Савезу средином осамдесетих година прошлог века [25]. Унутрашња електрода МПК-КГ (катода) је израђена од бакра у облику конуса дијаметара 3 и 0.6 cm, дужине 5 cm, са отвором на врху (дивертор). Носећи цилиндрични део катоде је дијаметра 1.5 cm. Спољашња електрода је у облику цилиндра који се састоји од 8 бакарних шипки дијаметра 0.8 cm и дужине 14 cm, које су симетрично распоређене по кругу дијаметра 5 cm. Анодне шипке су причвршћене на носећу прирубницу, која омогућује монтирање МПК на вакуум комору. Цилиндрични изолатор је постављен у отвор прирубнице и дизајниран тако да спречава накнадне пробоје по површини изолатора, чиме је омогућена велика чистоћа плазме [26]. Постављањем изолатора у отвор прирубнице и довољним растојањем између прирубнице и катоде омогућена је стабилност зоне јонизације, односно онемогућено њено померање ка изолатору [27].

МПК-КГ је оптимизован за рад у првом степену двостепеног плазма система КСПУ [27]. МПК-КГ омогућује формирање плазмених млазева у различитим гасовима и њиховим смешама, при струјама пражњења 40 - 100 kA. У режиму заосталог гаса, правилан рад МПК-КГ остварује се на притиску гаса од 200 до 1 000 Рa. При овим притисцима радног гаса ерозија катоде је минимална и МПК-КГ може да издржи и више хиљада пуцњева без промене електрода.

Стабилност компресионих млазева је постигнута азимуталном симетријом пражњења, чиме се остварује равномерна расподела струја по површини електрода. Симетризација пражњења се постиже формирањем секција кондензатора и довода [24], као и равномерним доводом радног гаса са стране аноде.

отвори за упуштање радног гаса

електромагнетни вентил

носећа прирубница дивертор

изолатор

катода

аноде

Слика 5. Пресек магнетноплазменог компресора компактне геометрије.

6


2.1.2 Експериментална схема. Мерне технике

Извор плазме је смештен у вакуум комори димензија 0.3m×0.3m×1.5m (Сл. 6). Сви експерименти описани у овој дисертацији рађени су у азоту у режиму заосталог гаса, на притисцима од 100 до 20 000 Рa. Вакуум комора се помоћу вакуум пумпе испумпа до притиска реда 1 Ра, па се у комору упусти азот до потребног притиска. Притисак је мерен механичким мерачем и мерачем притиска фирме Leybold-Heraeus.

Слика 6. Изглед МПК-КГ (лево). Вакуум комора са МПК-КГ и кондензаторска батерија за напајање (десно).

Основна схема експеримента је приказана на Слици 7. Електродни систем

је повезан са батеријом кондензатора (С), укупног капацитета 800 µF, преко игнитрона ИРТ-6 (I). На игнитрон се доводи окидни импулс. Струја пражњења и напон између електрода мерени су помоћу калема Роговског (R) и компензованог RC-делитеља напона (VD) и њихови сигнали су регистровани истовремено помоћу осцилоскопа Tektronix TDS3032 (OSC). Максимално достигнуте вредности струје пражњења при напону на кондензатору од 2.5 kV до 4.1 kV су биле у интервалу од 40 kА до 100 kА. Максимални напон је ограничен пробојним напоном кондензаторске батерије. Кондензаторска батерија је репетиције 1-2 пуцња у минути, и пуни се помоћу извора ГОС 1001. Принцип рада калема Роговског и компензованог RC-делитеља напона је детаљно описан у раду [11]. Помоћу снимака начињених електронском ултра-брзом конверторском камером IMACON 790 проучаван је просторно - временски развој пражњења: пробој, формирање предњег фронта и компресионог плазма млаза, послесветљење [5,11]. Брза камера може да ради у два режима: "framing" - слика по слика и "streak" - фотозапис, односно режим непрекидног снимања. У режиму фотозаписа користи се прорез постављен испред брзе камере паралелно са испитиваним објектом. Са снимака у режиму фотозаписа одређене су брзина предњег фронта и брзина плазме компресионог млаза. Стварне брзине записа одређене су калибрацијом осцилаторних јединица које се користе при фотозапису. За калибрацију је коришћен генератор импулса фирме Hadland Photonics, са калибрационим фреквенцама од 1 kHz дo 10 MHz. Снимак се добија на брзом негатив или полароид филму, који је у директном контакту са излазним екраном камере. За даље коришћење и обраду података са снимка, полароид филм је накнадно дигитализован употребом скенера. У овом

7


експерименту је применом CCD видео камере повезане са рачунаром снимак одмах добијан у дигитализованом облику [28,29]. Наиме, CCD видео камера “Mintron” ОS 45 D, оптички је спрегнута са излазним екраном IMACON-a. Излазни аналогни сигнал видео камере се води на графичку картицу Мirovideo DC 30. Графичка картица обавља дигитализацију улазног сигнала и смештање података у меморију. Коришћењем софтвера за процесирање филма Аdobe Premiere 5.1, након завршеног снимања се издваја снимак са максималним осветљењем. Време експозиције CCD-а није критично, с обзиром да је трајање слике на излазном екрану брзе камере око 80 µs.

Слика 7. Схема експерименталне поставке: OSC - осцилоскоп, R - калем Роговског, VD - делитељ напона, C - кондензаторска батерија, I - игнитрон, HSC - брза камера, CCD камера, PC - рачунар, MH - монохроматор Jobin Yvon 320S, FO - светловоди.

Спектроскопија зрачења плазме МПК са стране уређаја (side-on) вршена је помоћу монохроматора Jobin Yvon HR 320S (дифракциона решетка са 150 зареза по милиметру, реципрочна дисперзија 10 nm/mm). Овај монохроматор омогућује да се одједном сними велики део оптичког дела спектра, око 200 nm. Спектралне линије су детектоване помоћу PI·MAX 1024×256 UV CCD камере (Сл. 7). Овај детектор има временску резолуцију од 1 ns, уз могућност да се изаберу различита времена кашњења у односу на сигнал за синхронизацију. У нашем експерименту сигнал за синхронизацију је добијен преко светловода.

Мерења спектара су вршена на сваких 10 µs, са експозицијом од 2 µs. Компресиони плазма млаз је посматран на 8 различитих позиција дуж z осе помоћу оптичког влакна, почев од 1 cm до 8 cm од врха катоде, са кораком од 1 cm. На тај начин је остварена спектроскопија КПМ са просторно-временском резолуцијом. Да би се интензитети спектралних линија могли међусобно упоређивати извршена је калибрација спектроскопског система стандардном лампом FEL F-000, чиме је добијена његова крива осетљивости.

8


2.2. Резултати мерења 2.2.1 Развој МПК пражњења у азоту Праћењем развоја пражњења и мерењем брзине плазме могуће је

оптимизовати услове за формирање компресионог плазма млаза. Динамика развоја плазме у азоту, као и параметри КПМ, у великој мери зависе од притиска радног гаса, као и од почетне енергије кондензатора. У овом раду је испитиван развој плазма млаза у убрзавачко-компресионом режиму рада МПК, од минималних притисака при којима је у нашим условима пробој могућ, до притиска од 3 000 Ра. Испитивања су вршена при константном напону на кондензатору од 4 kV. На основу фотографија добијених брзом камером (Слике 8-11), праћен је развој пражњења: пробој, формирање ударног таласа и КПМ, послесветљење. На основу ових снимака може се дати општа слика динамике формирања КПМ у азоту. Брзина плазма млаза одређена је на основу снимака плазме добијених при континуалном запису и орјентацији разреза брзе камере дуж компресионог млаза (фотозапис; Сл. 12 и 13).

Развој пражњења се може поделити у четири фазе [5,11,15]. Прва фаза почиње довођењем окидног сигнала на игнитрон и пробојем у

међуелектродном делу МПК и траје до изласка плазме ван система. Пробој се, у зависности од притиска, дешава на врху катоде или на месту минималног растојања између катоде и аноде. На основу брзих фотографија, уочено је да се на вишим притисцима пробој дешава на минималном растојању између катоде и аноде (Сл. 8). Међутим, на притиску око 100 Ра пробој се дешава на врху катоде (Сл. 8). Место пробоја између електрода одређено је Пашеновим законом. Наиме, на малим притисцима пробојни напон јако брзо расте са смањењем притиска. Како, по Пашеновом закону, пробојни напон зависи од производа притиска и међуелектродног растојања, то на малим притисцима долази до пробоја уколико је међуелектродно растојање веће, односно пробој се дешава на врху катоде.

Слика 8. Лево: пробој на минималном растојању између катоде и аноде, притисак гаса 2 000 Ра. Десно: пробој на врху катоде, притисак гаса 100 Ра. Слике су дате на 4 µs уз експозицију од 400 ns, радни напон је 4 kV. Белом стрелицом је означен положај катоде.

После пробоја, струја пражњења расте, а са њом и магнетно поље. При узајамном деловању струје пражњења (радијалне компоненте) и азимуталног магнетног поља настаје Амперова сила, која убрзава плазму и она почиње да се креће низ катоду. На притиску 3 000 Ра плазма долази до врха катоде за 12 µs од почетка пражњења. Са смањењем притиска ово време се смањује и на 1 000 Ра износи 8 µs. У тренутку доласка плазме до врха катоде на њему се дешава снажна компресија плазме - пинч, а на напонском сигналу уочава се пад напона. На вишим притисцима, пинч траје око 4 µs (Сл. 9), да би се са смањењем притиска његово трајање скраћивало, а сам пинч постајао мање изражен. На јако

9


малим притисцима (~100 Ра), када долази до пробоја на врху катоде, поново се уочава зона интензивног зрачења на врху катоде, која може да траје и до 10 µs, али је тада и зрачење КПМ интензивно.

Слика 9. Пинч на врху катоде у азоту почиње око 10 µs; слике су дате на сваких 4 µs уз експозицију од 400 ns. Белом стрелицом је означен положај катоде.

Друга фаза управо почиње компресијом плазме на врху катоде и траје до смиривања осцилација у компресионом млазу. Она представља прелазну фазу, односно фазу стабилизације КПМ. Наиме, на почетку ове фазе предњи фронт плазме излеће у виду ударног таласа (Сл. 10). Фронт ударног таласа настаје због разлике притисака у приелектродној области и околном простору. Излетање плазме из МПК може да се посматра као дејство магнетоплазменог клипа који потискује гас пред собом. Испред клипа настаје ударни талас, а иза остаје област са мањом густином [3]. Управо у овој области иза клипа формира се компресиони млаз на оси система, почев од врха катоде, што се јасно уочава на Слици 10. Компресија плазме настаје при узајамном деловању уздужне компоненте струје (излазне струје) и сопственог азимуталног магнетног поља. Компресиони млаз се на притисцима 1 000 - 3 000 Ра формира око 20 - 25 µs од почетка пражњења. На притисцима реда 100 Ра КПМ се формира око 16 - 18 µs [30]. Како се време трајања пражњења не мења битније са притиском, то је трајање КПМ на вишим притисцима краће, реда 30 µs, а на ниским притисцима је реда 40 µs.

Слика 10. Излетање предњег фронта плазме у облику ударног таласа; слике су дате на сваких 4 µs уз експозицију од 400 ns, почев од 10 µs од почетка пражњења.

У току ове фазе на најширем делу катоде, односно на месту минималног пресека убрзавачког канала, формира се зона јонизације. Како је анода шипкаста, јони несметано улазе у убрзавачки канал са спољашње стране аноде, где се формирају запреминским струјама. У периоду 15-30 µs, односно у току првих 10 - 15 µs постојања КПМ, јављају се значајне радијалне осцилације компресионог млаза, које су све израженије са снижењем притиска [22].

10


Завршетком прелазних процеса почиње трећа, квазистационарна фаза, у току које постоји стабилан КПМ. У периоду 30-70 µs, изглед КПМ се јако мало мења у току времена. На Слици 11 дат је изглед компресионог млаза плазме у току квазистационарне фазе пражњења. У току ове фазе параметри плазме се споро мењају, а плазма се налази у стању локалне термодинамичке равнотеже.

Слика 11. Типичан изглед КПМ у квазистационарном делу пражњења; слике развоја пражњења у азоту на 500 Ра дате су на сваке 2 µs уз експозицију од 400 ns, почев од 20 µs од почетка пражњења.

Дужина КПМ се повећава са смањењем притиска и повећањем струје. На

3 000 Ра, дужина КПМ је 2.5 cm, а на 100 Ра реда 3.3 cm [5,11]. Са опадањем струје у току времена, дужина КПМ се смањује (Сл. 11). Компресиони млаз плазме је дијаметра реда 1 cm. Дијаметар КПМ се смањује са смањењем притиска и са повећањем струје, што је у сагласности са радовима [22,31].

На Сликама 12 и 13 (фотозапис) уочава се дискретна микроструктура КПМ у облику светлих и тамних нити. Светле нити су пројекције трајекторија плазме компресионог млаза на прорез камере. На притисцима реда 100 Ра дискретна микроструктура КПМ је јако изражена (Сл. 12). Фреквенција настанка микроструктура је реда 1 - 10 MHz и расте са притиском, што се јасно уочава на Слици 12. На Слици 13 дат је фотозапис пражњења на 400 Ра са променом интензитета светлости у току времена. Са слике се може видети да је карактеристични период микроструктуре КПМ 0.2 µs, односно да се оне јављају са фреквенцом од 5 MHz.

Четврта фаза је фаза гашења пражњења. Струја опада, те КПМ почиње да нестаје око 70 µs. Гашење КПМ и престанак квазистационарне фазе је последица начина напајања, односно пражњења кондензаторске батерије. Уз стални довод енергије, квазистационарна фаза би могла да траје и бесконачно дуго, односно МПК би могао да постане стационарни извор плазме. Наиме, процес јонизације радног гаса, који се убацује или улази у међуелектродни простор из коморе, тече непрекидно. Тај јонизовани гас се непрекидно убрзава у убрзавачком каналу, што је праћено његовом компресијом и разлетањем после изласка из електродног система.

11


Слика 12. Изглед пражњења у азоту на притиску 2 000 Ра (горе) и 100 Ра (доле); брзина снимања 1 µs/mm.

(б)

36 38 40 42 44 4625

30

35

40 0.2 µs

t (µs)

Слика 13. Изглед пражњења у азоту на притиску 400 Ра (а); увећани временски период означен стрелицама на (а) са променом интензитета светлости у току времена дат је на слици (б). Бела цртица на слици (а) износи 10 µs.

Укупно време трајања пражњења МПК износи око 140 µs при енергији батерије 5 - 10 kJ. Плазмене струје, захваљујући замрзнутости магнетног поља у плазми, могу веома дуго да егзистирају у комори. Те струје имају довољно енергије за побуђивање атома радног гаса, па се зрачење уочава и после завршетка пражњења - послесветљење [5,11].

Постојање ерозије катоде, као и изостанак ерозије аноде, докази су јонске проводности. Ерозија катоде је последица постојања прикатодног пада потенцијала и клизања струје низ катоду. Ерозија катоде је нарочито изражена при раду МПК на нижим притисцима.

Треба напоменути да се на високим притисцима, реда 10 000 Pa, пражњење у МПК одвија у режиму кочења [11,12]. Тада је повећана ефикасност преласка кинетичке енергије плазменог млаза у унутрашњу енергију плазме. Густина зрачења из зоне кочења је јако велика, па зрачење предњег фронта плазме премашује зрачење компресионог млаза. Већи део енергије унете у пражњење

12


иде на зрачење, те се МПК на високим притисцима користи као добар извор зрачења [32].

2.2.2 Брзина компресионог плазма млаза у азоту

Брзине плазме у квазистационарној фази пражњења на различитим

притисцима, измерене на основу фотозаписа (Сл. 12,13), дате су на Слици 14 [11,12,28,30,33]. Мерење брзине плазме омогућено је калибрацијом временске x-осе фотозаписа, док је y-оса постављена дуж компресионог плазма млаза, са почетком у зони јонизације.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

20

30

40

50

60

70

80

p (Pa)

Brz

ina

plaz

me

(km

/s)

Слика 14. Зависност брзине плазме компресионог млаза азота од притиска (U0 = 4 kV). Брзина плазме опада са повећањем притиска, што се може објаснити

повећањем броја јона које треба убрзати при константној улазној енергији. Брзина плазме компресионог млаза је константна, а опада са њеним удаљавањем од КПМ, што је поготову изражено на већим притисцима. Повећањем максималне струје пражњења, односно напона на кондензаторској батерији, добијају се веће брзине плазме. Гашењем компресионог млаза услед опадања струје пражњења у току времена, опада и брзина плазме.

2.2.3 Енергијски параметри пражњења у азоту На основу струјног и напонског сигнала одређени су основни eлектрични и

енергијски параметри пражњења [34,35]. На основу ових једноставних мерења може се судити о правилном раду МПК. Код свих плазма убрзавача, па и код МПК, карактер млаза плазме и његови параметри одређени су примарно струјом пражњења. На Слици 15 приказани су типични осцилограми струје и напона пражњења у МПК у азоту. Коришћењем напона од 4 kV на кондензаторској батерији, са одговарајућом енергијом од 6.4 kJ, добијају се струјни сигнали са максимумом од 100 kA и трајањем реда 140 µs. Стабилан КПМ се завршава око 70 µs после почетка пражњења, и ово време одговара трајању првог полупериода струје пражњења [5].

Мерење струјних и напонских сигнала пражњења у азоту извршено је за притиске 100 - 20 000 Ра, са почетним напоном 2.5 - 4.1 kV. Понашање струје и

13


пада напона на пражњењу је одређено основним параметрима кола, тј. отпором и индуктивношћу. Ове карактеристике кола зависе од притиска азота. Капацитет кола је одређен капацитетом кондензатора. Струјни сигнал има осцилаторни карактер са великим пригушењем (Сл. 15) [30]. Утврђено је да са порастом притиска радног гаса опада отпор кола. Пригушење струјног сигнала је све мање са порастом притиска [36], уз скраћивање првог полупериода струје пражњења, а тиме и трајања КПМ. Са повећањем притиска, у области реда 10 000 Pa, струја расте захваљујући повећању концентрације наелектрисања, и то за отприлике 10 kA.

0 20 40 60 80 100 120 140

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0-40-20

020406080

100

t (µs)

U (k

V)

I (kA

)

Слика 15. Осцилограми струје и напона пражњења у МПК (N2, 500 Ра, 4 kV). Испрекиданим линијама је означена фазни помак између струје и напона.

Напонски сигнал (Сл. 15) такође има осцилаторни карактер са великим

пригушењем [11,30]. Облик, амплитуда и његово трајање зависе од притиска и напона на кондензатору. Пад напона на електродама расте са смањењем притиска и са повећањем напона на кондензатору. На вишим притисцима напонски сигнал пада на нулу већ у 40 µs. Са снижењем притиска напонски сигнал се продужава за око 15 µs и максималан је на 100 Pa.

Постојање фазног помака између струјног и напонског сигнала, који је означен на Слици 15 испрекиданим линијама, говори о одсуству пробоја по површини изолатора [26]. Ово је један од показатеља да МПК ради коректно, односно да се КПМ формира на прави начин. Наиме, фазни помак се јавља због индуктивности електрода и саме плазме [26]. Промена индуктивности плазме је условљена променом димензија проводне области. Када постоје пробоји по изолатору паралелно са пражњењем у међуелектродном делу, удео индуктивности плазме изостаје, те нема фазног помака. У квазистационарним плазма убрзавачима, међу којима је и МПК, енергија се из кондензатора предаје плазми преко магнетног поља [5,6]. Уколико је индуктивност плазме нула, квазистационарно убрзавање плазме се не дешава. Зато је фазни помак између струје и напона индикација да се унутар убрзавачког канала плазма формира и убрзава на одговарајући начин. Индуктивност се смањује у азоту са снижавањем притиска са 10 000 Pa на 100 Pa, па опада и фазни помак за око 10 µs.

Волт-амперске карактеристике пражњења (Сл. 16) добијене су тако што су са струјног и напонског сигнала узете вредности струје и напона за исти

14


тренутак времена и представљене у облику зависности U=f(I). Ове зависности су дате за интервал времена од 20 до 50 µs, који одговара квазистационарној фази пражњења МПК.

40 50 60 70 80 90 100

0

200

400

600

800 N2 20 000 Pa

N2 5 000 Pa

N2 1 000 Pa

N2 100 Pa

U

(V

)

I (kA)

Слика 16. Волт-амперске карактеристике МПК пражњења за различите притиске азота (U0 = 4 kV).

Добијене волт-амперске карактеристике су нелинеарне, што је, такође,

потврда исправног рада МПК. Ово је у сагласности са теоријом квазистационарних плазма убрзавача, коју је дао Морозов у раду [6]. Ова теорија даје следећу везу између струје и напона:

mIU&

3

~ (2.1)

где је U пад напона на електродама, I струја пражњења, а масени проток радног гаса. Ова релација је добијена за јоно-дрифтно убрзавање у специјално дизајнираном убрзавачком каналу [5,11]. Дакле, у случају постојања јоно-дрифтног убрзавања волт-амперска карактеристика мора бити нелинеарна. Линеарна волт-амперска карактеристика се добија код плазма убрзавача са непрекидним електродама [8], као и код пражњења на атмосферском притиску [3], што показује да се у овим случајевима јоно-дрифтно убрзавање не одвија. Када постоје секундарни пробоји по изолатору у МПК, онда не постоји фазни помак напон-струја, волт-амперске карактеристике су линеарне и леже на једној правој, без обзира на почетни напон [3]. Такође, на основу једначине (2.1) може се закључити да степен 3 представља горњу границу, односно везан је за најефикаснији случај убрзавања, када су струје у убрзавачком каналу радијалне. У том случају је убрзавање плазме најефикасније. Уколико је овај степен већи од 3, јоно-дрифтно убрзавање није предоминантни процес, и МПК више не ради у убрзавачком режиму [11,12]. Зато постојање фазног помака између струје и напона, као и нелинеарност волт-амперске карактеристике указује на правилну организацију пражњења у улазном делу убрзавачког канала МПК [26,27].

m&

Волт-амперске карактеристике за различите притиске азота анализиране су на основу два параметра, напона који одговара истој струји пражњења и експоненту волт-амперске карактеристике. Пад напона на електродама који одговара струји од 80 kA на различитим притисцима дат је на Слици 17. Напон

15


на електродама опада са порастом притиска азота. То се може објаснити масеним протоком наведеним у једначини (2.1). Наиме, са притиском расте број наелектрисања, а са њима и масени проток, па, уколико је струја константна, по једначини (2.1) добијамо све мање и мање напоне.

100 1000 100000

200

400

600U

(V)

p (Pa)

I = 80 kA

Слика 17. Пад напона на електодама за различите притиске азота који одговара струји од 80 kA са Слике 16.

Добијене волт амперске карактеристике су фитоване степеном функцијом

и на Слици 18 је дат добијени експонент волт-амперске карактеристике α за различите притиске азота. Експонент α расте са притиском и за притисак већи од 3 000 Pa он постаје већи од 3. Ово је последица преласка МПК пражњења из убрзавачког режима у режим кочења [31]. Наиме, за константну почетну енергију кондензатора, са порастом притиска расте и колизиона фреквенца, па се јоно-дрифтно убрзавање све теже остварује услед губитка кинетичке енергије јона у сударима, због чега се они практично и не удаљавају од електродног система. На притиску азота од 500 Ра, који одговара режиму убрзавања, експонент волт-амперске карактеристике је 2.3.

αIU ~

100 1000 100001

2

3

4

5

6

7

V-A

eks

pone

nt α

p (Pa) Слика 18. Експонент волт-амперске карактеристике α за различите притиске азота. Убрзавачки режим је дефинисан за α ≤ 3.

16


Ефикасност преноса енергије из кондензаторске батерије у пражњење се

изражава преко коефицијента корисног дејства (ККД). Он се дефинише као

однос укупне енергије унете у пражњење и почетне енергије

акумулиране у кондензаторима W

∫∞

⋅=0

)()( dttUtIW

о=СUо2/2, тј. η=W/Wо [19]. Зависност ККД-а за

азот на различитим притисцима дата је на Слици 19.

100 1000 1000030

35

40

45

50

55

60

K

oef

icij

ent

kori

snog

dej

stva

η (%

)

p (Pa)

Слика 19. Коефицијент корисног дејства у азоту на различитим притисцима (U0=4 kV). ККД има минимум на притиску реда 7 000 Ра. Раст ККД-а на високим

притисцима, већим од 7 000 Ра, последица је раста струје пражњења, услед повећања густине наелектрисања. Међутим, на тим притисцима јоно-дрифтно убрзавање не може да се оствари, већ се МПК налази у режиму кочења. На малим притисцима расте пад напона на електродама и смањује се фазни помак, чиме је омогућен раст укупне енергије унете у пражњење. Са смањењем притиска долази до правилног, убрзавачко-компресионог режима рада МПК. Уочено понашање ККД-а у области малих притисака је у сагласности са [19,31].

2.2.4 Термодинамички параметри КПМ у азоту Електронска концентрација и температура, као најважнији параметри

плазме, одређени су спектроскопски, помоћу апаратуре описане у Поглављу 2.1.2. Спектроскопска мерења су вршена у смеши N2 + 5% H2 на притиску од 500 Pa са почетним напоном на кондензатору од 3.5 kV, односно са улазном енергијом од 4.9 kJ. Водоник је додат да би се спектроскопски могла одредити и електронска концентрација.

Коришћена апаратура је дозвољавала добијање спектра у одређеном тренутку времена на некој од осам позицији дуж КПМ коришћењем светловода. Испитивана је спектрална област ограничена линијама Нα и Нβ Балмерове серије водоника (Сл. 20). Анализа је показала да се на притиску од 500 Ра, сем линија додатог водоника, у спектру могу наћи само линије јона азота N II. Добијени сет линија јона азота, заједно са водониковом Нβ линијом, омогућио је да се из сваког спектра могу истовремено одредити и електронска концентрација и

17


температура. Ови параметри плазме су мерени за КПМ у току квазистационарне фазе пражњења.

480 520 560 600 6400

1000

2000

3000

N II 594.2 nm

Hα

Hβ

N II 500.1 nm

I (a

.u.)

λ (nm)

N II 567.7 nm

Слика 20. Типични спектар КПМ у 30 µs на 4 cm од врха катоде добијен у једном пуцњу у смеши N2 + 5% H2 на притиску од 500 Pa.

Истраживања развоја МПК пражњења, као и измерени параметри КПМ, су од значаја не само са становишта испитивања фундаменталних процеса у овом извору плазме, већ и због могућих примена плазма млазева, као што је модификација површина третираних узорака, што је и обрађено у другом делу ове дисертације.

2.2.4а Одређивање електронске концентрације Одређивање електронске концентрације плазме извршено је на основу

Штаркове полуширине линије водоника Нβ. Профили ових линија су регистровани при посматрању пражњења са стране МПК, на апаратури приказаној на Слици 7. Профили су снимљени без абелирања, интегрално дуж правца посматрања. На основу полуширина снимљених профила и теоријски израчунатог Штарковог ширења [37], добијене су електронске концентрације, приказане на Слици 21. Процењена грешка одређивања електронске концентрације је у оквиру ±10 %.

Аксијална расподела електронске концентрације у компресионом млазу добијена је на основу Штаркове полуширине низа профила водоникове Нβ линије. Ове линије су добијене помоћу светловода, постављеног на положајима од 1 cm до 8 cm од врха катоде. Како су ове линије регистроване помоћу брзе CCD камере, то је на основу ових профила измерена временска промена аксијалне расподеле електронске концентрације (Сл. 21) [38,39].

Електронска концентрација је максимална у 20 µs и скоро константна до 6 cm од врха катоде. Она износи 1.2·1016 cm-3. На растојањима преко 6 cm од врха катоде већа електронска концентрација се може објаснити јонизацијом радног гаса која је остварена проласком ударног таласа. После 20 µs може се уочити пад концентрације на свим положајима дуж КПМ.

18


2.2.4б Одређивање електронске температуре

Аксијална расподела електронске температуре у току времена дата је на

Слици 22. Електронска температура је одређена на основу односа релативних интензитета спектралних линија јона азота N II, односно на основу Болцмановог нагиба (Boltzman plot). Наиме, како је интензитет спектралне линије дат са:

)exp(0

0 kTE

Ahgg

NAhNI iifif

iififiif −== νν , (2.2)

сређивањем и логаритмовањем ове релације добија се линеарна зависност:

iifi

ifif aEbAg

I+=

λln , (2.3)

те се, коришћењем низа линија, из нагиба ове праве може одредити електронска температура. При томе је неопходно познавати интензитете коришћених линија (Iif), њихове таласне дужине (λif), статистичке тежине горњих нивоа (gi), вероватноће прелаза (Аif) и њихове енергије ексцитације (Еi).

Користећи апаратуру приказану на Слици 7, добијени су профили десет линија N II: 471.8 nm, 478.8 nm, 480.3 nm, 489.5 nm, 504.5 nm, 566.7 nm, 571.1 nm, 589.3 nm, 594.2 nm и 634.7 nm. Интензитети ових линија су кориговани на основу криве осетљивости нашег спектроскопског система. Коришћењем вредности за енергије, вероватноће прелаза и статистичке тежине [40,41], добијене су температуре плазме. Процењена грешка одређивања електронске температуре је у оквиру ±15 %.

Временска промена аксијалне расподеле електронске температуре у компресионом млазу добијена је регистровањем горе поменутог сета од десет линија јона азота помоћу брзе CCD камере (Сл. 22) [38,42]. Може се уочити да је средња температура у КПМ у току квазистационарне фазе 35 000 K, што је у доброј сагласности са резултатим који су добијени раније [19,22].

На Слици 22 се може видети да се, почевши од 20 µs, дуж z осе могу издвојити две области. Прва, која се простире од врха катоде до 3-4 cm, је компресиони плазма млаз. Друга, која почиње на отприлике 4 cm је зона термализације, која настаје услед трансформације кинетичке енергије плазма млаза у топлотну енергију. Зато је у 50 и 60 µs температура у овом делу већа од температуре у КПМ, услед гашења пражњења у МПК.

19


0 1 2 3 4 5 6 7 80

4

8

12

16

20

24

9

20 µsn e (

1015

cm

-3)

z (cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 80

4

8

12

16

20

24

9

30 µs

n e (10

15 c

m-3)

z (cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

4

8

12

16

20

24

40 µs

n e (

1015

cm

-3)

z (cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

4

8

12

16

20

24

50 µs

n e (10

15 c

m-3)

z (cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 80

4

8

12

16

20

24

9

60 µs

n e (

1015

cm

-3)

z (cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

4

8

12

16

20

24

70 µs

n e (10

15 c

m-3)

z (cm)

Слика 21. Аксијална расподела електронске концентрације у току времена у N2 + 5%H2 на притиску од 500 Pa.

20


0 1 2 3 4 5 6 7 8 910000

20000

30000

40000

50000

10 µs

T (K

)

z (cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 910000

20000

30000

40000

50000

20 µs

T (K

)

z (cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 910000

20000

30000

40000

50000

30 µs

T

(K)

z (cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 910000

20000

30000

40000

50000

40 µs

T (K

)

z (cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 910000

20000

30000

40000

50000

50 µs

T (K

)

z (cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 910000

20000

30000

40000

50000

60 µs

T (K

)

z (cm)

Слика 22. Аксијална расподела електронске температуре у току времена у N2 + 5%H2 на притиску од 500 Pa.

Упоређујући добијене аксијалне расподеле електронске концентрације

(Сл. 21) и температуре (Сл. 22) у току времена, може се закључити да обе расподеле имају максимум 10-20 µs после почетка пражњења и да, потом, параметри плазме постепено опадају. Такође, дуж z осе се могу издвојити две области, компресиони плазма млаз (од врха катоде до 4 cm) и зона термализације (преко 4 cm). У току гашења пражњења (60-70 µs), параметри плазме у зони термализације су већи од оних у КПМ.

21


2.2.5 Режими рада МПК пражњења у азоту Анализирајући добијене резултате можемо доћи до неколико закључака

који се тичу утицаја притиска азота на режим рада МПК, што је од великог значаја за оптимизацију параметара КПМ, односно могућност избора одговарајућих услова рада при различитим применама МПК. Утврђено је да се правилан убрзавајући режим рада МПК одвија на притисцима 200 до 2 000 Ра. За веће притиске процеси кочења преузимају доминантну улогу. Са друге стране, за притиске мање од 200 Pa, велика ерозија катоде има пресудан утицај на карактеристике плазма млаза [12].

2.2.5а Режим кочења МПК пражњења у азоту Као што је већ речено, експонент волт-амперске карактеристике α на

притисцима реда 3 000 Ра постаје већи од 3 (Сл. 18). Са повећањем притиска преко ове вредности долази до смањења пада напона на електродама, а трајање плазма млаза се скраћује. Такође, брзина плазме опада, а при изласку плазме из убрзавачког канала долази до њеног наглог кочења због судара јона са атомима радног гаса. На овом притиску убрзавачки режим прелази у режим кочења. На притисцима реда 10 000 Ра плазма млаз се не формира, већ се пражњење локализује у простору око електрода. Занимљиво је да ККД-а расте на притисцима већим од 7 000 Ра, али је то последица раста струје пражњења услед повећања броја носиоца наелектрисања. На тим притисцима јоно-дрифтно убрзавање се не остварује.

На високим притисцима повећана је ефикасност преласка кинетичке енергије плазменог млаза у унутрашњу енергију плазме. Наиме, услед интеракције плазме са преосталим гасом у комори и кочења, формира се ударно-компресиони слој плазме. Густина зрачења из овог слоја је јако велика, па је МПК на високим притисцима добар извор интензивног зрачења [32].

2.2.5б Ерозија катоде МПК у азоту Фазни померај између струје пражњења и напона на електродама је

минималан на притисцима азота реда 100 Ра, сам напон достиже максималну вредност (Сл. 17), што као последицу даје максимум коефицијента корисног дејства (Сл. 19). Због мале количине гаса коју треба убрзати, брзина плазме достиже максимум (Сл. 14). Међутим, управо због недостатка довољно носиоца наелектрисања у убрзавачком каналу, експонент волт-амперске карактеристике α опада (Сл. 18), а на фотозапису развоја КПМ (Сл. 12) може се уочити јако изражена дискретна микроструктура млаза плазме.

На притисцима реда 100 Ра долази до интензивне ерозије катоде [12]. Ерозија катоде је последица клизања струје низ њену површину и појаве катодног пада напона на чврстим површинама. Ово се може објаснити малим масеним протоком јона у близини површине катоде [15]. На притисцима реда 100 Pa појава великог пада напона близу површине катоде доводи до пораста ерозије катоде. Материјал који је еродирао са катоде највећим делом се депонује на врх дивертора [5,11].

Постојање ерозије катоде уз истовремено потпуно очување аноде је доказ постојања јонског преноса струје [5]. С друге стране, у експериментима са

22


класичним убрзавачима и у експериментима са плазма фокусом примећена је велика ерозија аноде. Импулсни млаз јона који се добија у плазма фокусу увек садржи велики удео јона нечистоћа [43,44]. Интензивна ерозија електрода се објашњава микрорастопима и испаравањем уз микроексплозије на површини електрода [45].

2.2.5в Убрзавачки режим рада МПК у азоту Убрзавачки режим рада МПК одвија се у интервалу притисака од 200 до

2000 Ра. Са повећањем притиска у оквиру овог интервала експонент волт-амперске карактеристике α расте (Сл. 18). На 3000 Ра он постаје већи од 3, што је индикација да је на овим притисцима кочење плазме доминантно, што је и потврђено снимцима начињеним брзом камером. Међутим, са повећањем притиска опада пад напона на електродама (Сл. 17), коефицијент корисног дејства (Сл. 19) и брзина плазме (Сл. 14). То значи да је на нижим притисцима ефикасност преноса енергије из кондензаторске батерије у плазма млаз већи. Наиме, да би се постигао најефикаснији процес убрзавања у МПК, али и у свим квазистационарним плазма убрзавачима, неопходна је радијална расподела струје у убрзавачком каналу [46]. Уколико се постигне квазирадијална расподела струје у квазистационарном плазма убрзавачу, стварају се оптимални услови за формирање плазме и њено убрзавање. Ова расподела струја се може очекивати када су задовољена два битна услова: први је оптимални доток гаса из заанодног простора у убрзавачки канал, а други ефикасна заштита електрода сопственим магнетним пољем [47]. Квазирадијална расподела струја је остварена у убрзавачком каналу двостепеног КСПУ [46,47], где су обе електроде заштићене од ерозије. Међутим, у случају квазистационарних плазма убрзавача са чврстом катодом, као што је и МПК, дешава се клизање струје низ површину катоде [48]. Линије струје обично формирају мали угао са површином катоде или су чак паралалне површини катоде.

Ефикаснији рад МПК у азоту на нижим притисцима се може објаснити оптималном расподелом струја која се остварује у овом случају, односно расподелом при којој је клизање струја минимално, а сама расподела најближа квазирадијалној.

У току квазистационарне фазе КПМ при раду МПК у азоту предоминантан спектар зрачења КПМ је спектар N II линија (Сл. 20). Ово је последица развоја пражњења у МПК. Наиме, у зони јонизације се врши потпуно јонизовање гаса, а формирани јони се убрзавају Амперовом силом. Тако ће се у компресионом млазу наћи само убрзани јони, односно убрзана плазма. Процењени степен јонизације у КПМ је готово 100 % [11]. Уједно, гасокинетички притисак у компресионом млазу је реда 10 kPa [11,49], тако да околни гас тешко продире у сам КПМ. Током квазистационарне фазе пражњења процес јонизације и убрзавања се одвија континуално. То је последица јоно-дрифтног убрзавања магнетизоване плазме које се одвија у специјално профилисаном убрзавачком каналу [5]. Ипак, са гашењем КПМ, 60-70 µs после почетка пражњења, појављују се и линије неутрала азота, као и молекулске траке N2 и N2

+. Минимална ерозија електрода представља једну од главних предности

квазистационарних плазма убрзавача у односу на класичне убрзаваче. Специјално дизајниран електродни систем је заштићен сопственим магнетним пољем, што значајно смањује ерозију електрода. Аноде су, практично, у потпуности заштићене, док је ерозија катоде на притисцима реда 500 Ра

23


минимална. Такође, да би се добила што чистија плазма у КПМ, искоришћена је сепарација јона по M/q која се дешава у убрзавачком каналу, па је врх катоде направљен у виду дивертора. Услед Лоренцове и Кулонове силе, тешки јони нечистоћа остају у близини површине катоде и одлазе у дивертор. Уколико неки од јона и напусти површину катоде, високи притисак КПМ, реда 10 kPa, потискује га назад у дивертор.

Дакле, предности магнетоплазменог компресора, у поређењу са другим плазма убрзавачима, јесу велика стабилност формираних квазистационарних компресионих плазма млазема у азоту, величина КПМ (дужина до 4-5 cm и дијаметар реда 1 cm), параметри плазме КПМ (концентрација електрона 1016 -1017 cm-3, температура до 40 000 K, брзина плазме на 500 Ра реда 40 km/s), као и време трајања пражњења реда 70 µs. Осим тога, јонски пренос струје у убрзавачком каналу и заштита сопственим магнетним пољем омогућује минималну ерозију електрода. Као последица, добијен је предоминантни спектар N II линија у КПМ у току квазистационарне фазе. Зато је МПК веома значајан извор млазева плазме, који се могу користити за третман површина различитих материјала плазмом, али и за друге плазма технологије. ЛИТЕРАТУРА 1. А.И. Морозов, Об ускорении плазмы магнитным полем, ЖЭТФ 32 (1957)

305. 2. S.I. Ananin, V.M. Astashynski, V.S. Burakov, E.A. Kostyukevich, A.M.

Kuzmitski, N.V. Tarasenko, I. Dojcinovic, M.M. Kuraica, J. Puric and I.R. Videnovic, Quasi-Stationary High-Current Plasma Accelerator as Plasma Injector for Fusion Devices, 29th EPS Conference Plasma Phys. Contr. Fusion, Montreux 2002, 26В, Р-5.049.

3. В.М. Асташинский, Плазмодинамические процессы и динамика компрессионных потоков в квазистационарных плазменных ускорителях, Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, ИМАФ НАН Беларуси, Минск (1999).

4. A.Ph. Ilyushchenko, V.S, Ivashko, V.A. Okovity, A.I. Shevtsov, V.M. Astashynski, Yu.A. Chivel, L.Ya. Min`ko, and S. Steinhauser, Creation of plasma powder coatings with raised wear-resistance, PPPT - 3 Contributed Papers, Minsk 2000, 2, 640.

5. J. Purić, I.P. Dojčinović, V.M. Astashynski, M.M. Kuraica and B.M. Obradović, Electric and thermodynamic properties of plasma flows created by a magnetoplasma compressor, Plasma Sources Sci. Technol. 13 (2004) 74.

6. А.И. Морозов, Принципы коаксиальных (квази)стационарных плазменных ускорителей (КСПУ), Физика плазмы 16 (1990) 131.

7. А.И. Морозов и Л.С. Соловьев, Стационарные течения плазмы в магнитном поле, Вопросы теории плазмы 8 (1974) 3.

8. П.Е. Ковров и А.П. Шубин, Сильноточный коаксиальный плазменный ускоритель в квазистационарном режиме, Физика и применение плазменных ускорителей, Наука и техника, Минск (1974), 78.

9. К.В. Брушлинский и А.И. Морозов, Расчет двумерных течений плазмы в каналах, Вопросы теории плазмы 8 (1974) 88.

24


10. А.I. Morozov, Steady-state plasma accelerators and their possible applications in thermonuclear research, Nuclear Fusion Special Suppl. (1969) 111.

11. Дојчиновић Иван, Истраживање магнетоплазменог компресора компактне геометрије, Магистарска теза, Физички факултет, Београд (2003).

12. I.P. Dojčinović, M.M. Kuraica, B.M. Obradović, N. Cvetanović and Ј. Purić, Optimization of plasma flow parameters of the magnetoplasma compressor, Plasma Sources Sci. Technol. 16 (2007) 72.

13. А.И. Морозов, О стационарных течениях плазмы, сопровождающихся ее сжатием, ЖТФ 37 (1967) 2147.

14. К.В. Брушлинский, А.М. Заборов, А.Н. Козлов, А.И. Морозов и В.В. Савельев, Численное моделирование течений плазмы в КСПУ, Физика плазмы 16 (1990) 147.

15. А.К. Виноградова и А.И. Морозов, Стационарные компрессионные течения, Физика и применение плазменных ускорителей, Наука и техника, Минск (1974), 103.

16. С.И. Ананин, В.М. Асташинский, Е.А. Костюкевич, А.А. Маньковский и Л.Я. Минько, Интерферометрические исследования процессов в квазистационарном сильноточном плазменном ускорителе, Физика плазмы 24 (1998) 1003.

17. А.Ю. Волошко, И.Е. Гаркуша, А.И. Морозов, Д.Г. Соляков, В.И. Терешин, А.В. Царенко и В.В. Чеботарев, Исследование локальной картины течения плазмы в двухступенчатом КСПУ П-50, Физика плазмы 16 (1990) 168.

18. А.И. Морозов, П.Е. Ковров и А.К. Виноградова, Экспериментальное подтверждение существования стационарных самосжимающихся течений плазмы, Письма в ЖЭТФ 7 (1969) 257.

19. В.М. Асташинский, Г.И. Баканович и Л.Я. Минько, Излучательные характеристики компрессионных плазменных потоков в видимой и ближней инфракрасной областях, ЖПС 40 (1984) 540.

20. В.М. Асташинский, Л.Я. Минько и А.А. Маньковский, Компрессия эрозионных плазменных потоков заданного состава в воздухе при атмосферном давлении, ЖПС 55 (1991) 903.

21. А.К. Виноградова и А.И. Морозов, ЖТФ 46 (1976) 2495. 22. В.М. Асташинский, Г.И. Баканович и Л.Я. Минько, Исследование динамики плазмообразования и формирования области компрессии газового магнитоплазменного компрессора, ЖПС 33 (1980) 629.

23. В.М. Асташинский и Е.А. Костюкевич, Интерферометрическое исследование области компресии магнитоплазменного компрессора, Физика плазмы 7 (1981) 523.

24. Л.Я. Минько, В.М. Асташинский и Е.А. Костюкевич, Исследование динамики формирования и распада компрессионного плазменного потока, ТВТ 25 (1987) 601.

25. Л.Я. Мiнько, В.М. Асташынскi, Г.I. Баканович и А.М. Кузьмiцкi, Iмпульcны плазменны паскаральнiк на аcнове разраднага ўcтройcтва магнiтаплазменнага кампрэcара кампактнай геаметрыi, Изв. AH БССР Сер. физ.-мат. наук 2 (1986) 46.

26. В.М. Асташинский, Г.И. Баканович, Е.А. Костюкевич, А.М. Кузьмицкий, А.А. Маньковский и Л.Я. Минько, Влияние характера развития разряда в МПК компактной геометрии на параметры компрессионного потока, ЖПС 50 (1989) 887.

25


27. С.И. Ананин, В.М. Асташинский, Г.И. Баканович, Е.А. Костюкевич, А.М. Кузьмицкий, А.А. Маньковский, Л.Я. Минько и А.И. Морозов, Исследование процессов формирования плазменных потоков в квазистационарном сильноточном плазменном ускорителе (КСПУ), Физика плазмы 16 (1990) 186.

28. Г. Кекић и И.П. Дојчиновић, Нова техника снимања ултра-брзом електронском камером IMACON 790, XXI Симпозијум о експлозивним материјалима - Зборник радова, Taрa 2001, 603.

29. G. Kekić and I.P. Dojčinović, Application of the Digital Imaging Technique Using IMACON 790 Camera for Compression Plasma Flows Investigation, Scientific Technical Review 8 (2003) 3.

30. I.P. Dojčinović, M.M. Kuraica, V.M. Astashynski and J. Purić, Influence of the Working Gas Composition on the Magnetoplasma Compressor Properties, Publ. Astron. Obs. Belgrade (Contributed Papers of the PDP-IV, Belgrade 2002) 74 (2002) 137.

31. В.М. Асташинский, Г.И. Баканович, А.М. Кузьмицкий и Л.Я. Минько, Выбор режимов работы и параметры плазмы магнитоплазменного компрессора, ИФЖ 62 (1992) 386.

32. А.С. Камруков, Н.П. Козлов и Ю.С. Протасов, Физические принципы плазмодинамических сильноточных излучающих систем, Плазменные ускорители и ионные инжекторы, Наука, Москва (1984), 5.

33. I. Dojčinović, M.M. Kuraica, V.M. Astashynski and J. Purić, Diagnostic of Magneto Plasma Compressor, 21st SPIG - Contributed Papers, Soko Banja 2002, 506.

34. И.П. Дoйчинович, М.Р. Гемишич, Б.M. Обрадович, М.М. Кураица, В.М. Асташинский и Я. Пурич, Исследование параметров плазмы в магнитоплазменном компрессоре, ЖПС 68 (2001) 629.

35. И.П. Дoйчинович, М.Р. Гемишич, Б.M. Обрадович, М.М. Кураица, В.М. Асташинский и Я. Пурич, Исследование параметров плазмы в магнитоплазменном компрессоре, Publ. Astron. Obs. Belgrade (Proceedings of the PDP - III, Minsk 2000) 68 (2000) 69.

36. J.K. Ziemer and E.Y. Choueiri, Scaling laws for electromagnetic pulsed plasma thrusters, Plasma Sources Sci. Technol. 10 (2001) 395.

37. M.A. Gigosos and V. Cardenoso, New plasma diagnosis tables of hydrogen Stark broadening including ion dynamics, Journal of Phys. B 29 (1996) 4795.

38. M.M. Kuraica, I.P. Dojčinović, M. Nikolić, B.M. Obradović and J. Purić, Spectroscopic study of plasma flow created by a magnetoplasma compressor, Czech. J. Phys. 56 (2006) 291.

39. I.P. Dojčinović, M. Nikolić, B.M. Obradović, M.M. Kuraica and J. Purić, Measurements of Nitrogen Compression Plasma Flow Electron Density, Contributed Papers of 23nd SPIG, Kopaonik 2006, 347.

40. А.Р. Стриганов и Н.С. Свентицкий, Таблицы спектральных линий, Атомиздат, Москва (1966).

41. W.L. Wiese and G.A. Martin, Wavelengths and Transition Probabilities for Atoms and Atomic Ions - Part II Transition Probabilities, U.S. Government Printing Office, Washington (1980).

42. M. Nikolić, I.P. Dojčinović, B.M. Obradović, M.M. Kuraica and J. Purić, Measurements of Nitrogen Compression Plasma Flow Electron Temperature, Contributed Papers of 23nd SPIG, Kopaonik 2006, 351.

43. J. Feugeas and G. Grigioni, Optical emission spectroscopy of electrical focii discharges, J. Phys. D: Appl. Phys. 30 (1997) 2026.

26


27

44. K. Takao, T. Honda, I. Kitamura and K. Masugata, Purity of nitrogen ion beams produced in a plasma focus, Plasma Sources Sci. Technol. 12 (2003) 407.

45. I.V. Fomenkov, N. Bowering, C.L. Rettig, S.T. Melnychuk, I.R. Oliver, J.R. Hoffman, O.V. Khodykin, R.M. Ness and W.N. Partlo, EUV discharge light source based on a dense plasma focus operated with positive and negative polarity, J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004) 3266.

46. В.М. Асташинский, А.А. Маньковский, Л.Я. Минько и А.И. Морозов, Исследование физических процессов, обусловливающих режимы работы КСПУ, Физика плазмы 18 (1992) 90.

47. V.I. Tereshin, Quasi-stationary plasma accelerators (QSPA) and their applications, Plasma Phys. Control. Fusion 37 (1995) A177.

Magnetoplazmeni kompresor

Documents