Способ получения неравновесной плазменной среды

Способ получения неравновесной плазменной среды

Реферат

 

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к управлению плазмой разряда, и может быть применено для получения сильно неравновесной плазмы с управляемыми характеристиками. Цель изобретения - получение неравновесной плазмы с высокой концентрацией возбужденных частиц при стабильных условиях воспроизводимости параметров неравновесности. Неравновесную плазменную среду получают путем пропускания разрядного тока через инертный газ при приложении к нему импульсного электрического поля. Длительность импульса напряжения устанавливают расчетным путем до момента начала пробоя в газе, который контролируют по величине разрядного тока, и на фазе начала резкого роста тока и одновременно резкого спада амплитуды импульса напряжения производят искажение заднего фронта импульса напряжения, вводя активное сопротивление в анодную цепь разрядной трубки, чем задают нелинейную скорость изменения заднего фронта импульса напряжения. Это приводит к изменению скорости нарастания концентрации электронов, что позволяет менять время существования сильно неравновесной плазмы до десятков микросекунд. Величину приведенного электрического поля выбирают в пределах (8 - 25) х 10^-17 В/см. Способ позволяет достичь неравновесности плазмы N_m/N_l в пределах 10 - 100 и регулировать длительность существования полученной среды в пределах четырех порядков (здесь N_m, N_l - концентрация возбужденных атомов и электронов соответственно). Для стабилизации разряда дополнительно прикладывают фоновое электрическое поле. 1 з. п. ф-лы. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к физике плазмы и газового разряда и может быть использовано для получения неравновесной плазмы с управляемыми характеристиками, а именно степенью неравновесности плазмы, отношением концентрации возбужденных атомов к электронам. Цель изобретения получение максимально неравновесной плазмы при стабильных условиях воспроизводимости параметров неравновесности. Для этого к плазме прикладывают дополнительно фоновое электрическое поле, контролируют ток разряда в газе, импульс напряжения электрического поля обрывают в момент начала пробоя в газе, причем задают нелинейную скорость изменения его заднего фронта, при этом величину приведенного электрического поля выбирают в диапазоне (8-25) 10^-17 В/см². Кроме того, для периодического возбуждения неравновесного состояния плазмы импульсное электрическое поле прикладывают с периодом следования, равным времени восстановления фонового электрического поля в газе. Характерной особенностью развития ионизации в газах в широком диапазоне условий является запаздывание момента начала интенсивного роста разрядного тока (пробоя) относительно момента приложения электрического поля к газу. Интервал времени, в течение которого проводимость в зазоре медленно нарастает, обусловлен в основном кинетическими процессами, происходящими в разряде при постоянном значении приведенного электрического поля, квазистационарной функции распределения электронов и степени ионизации. Поэтому процесс ионизации можно условно разделить на две стадии: медленную и быструю, которые определяются характерными временами t_м и t_б После приложения электрического поля к газу, на медленной стадии происходит постепенное накопление возбужденных атомов N_m газа на четырех низколежащих электронновозбужденных уровнях системы в результате возбуждения электронным ударом и электронов N_e. При этом концентрация возбужденных атомов существенно превосходит концентрацию электронов. На быстрой стадии происходит сначала резкий рост концентрации возбужденных атомов за время порядка 1-2 мкс, а затем (через некоторый интервал времени) резкий рост концентрации электронов. Путем обрыва импульса электрического поля после резкого роста концентрации возбужденных атомов, но до начала резкого роста концентрации электронов в разные моменты времени при t_n t_m можно устанавливать требуемое отношение концентрации возбужденных атомов и электронов, т.е. задавать степень неравновесности плазмы и соответственно изменять вид функции распределения электронов. В результате реализуются режимы с разными значениями приведенного электрического поля /N₁ и соотношением между концентрациями возбужденных атомов и электронов. Опытным путем установлено, что при малых значениях параметров E/N₁=(8-25)Т_дотношение концентраций возбужденных атомов и электронов может достигать 10-100. В этих условиях плазма оказывается недоионизованной и функция распределения электронов сильнонеравновесной и нестационарной. При значениях параметров E/N₂>25T_дN_m/N_e становится 1, а функция распределения электронов близка к максвелловской, равновесной. Величина параметра E/N₁<8 не может вызвать заметного возбуждения атомов плазмы. На фиг. 1 приведена схема экспериментальной установки для осуществления способа; на фиг. 2 представлен качественный ход изменения во времени импульсов напряжения (кривая 1) и разрядного тока (кривая 2) в трубке с газом в процессе ионизации; на фиг. 3 представлены зависимости отношения концентрации возбужденных атомов к электронам N_m/N_e от длительности импульса приложенного электрического поля, нормированного к длительности медленной стадии ионизации t_n/t_m для неравновесного (кривая 1) и равновесного (кривая 2) состояний газовой плазмы. На фиг. 3 показано, что фоновое поле, приводящее к существованию фоновой величины (N_m/N_e), сказывается на ходе процесса ионизации. Так, при t_n/t_m>t_n/t_ion отношение N_m/N_e<(N<SUB>m>/N_e) и эта часть кривых характеризует ход пробоя в газе и последующий процесс восстановления фонового электрического поля. При отсутствии фонового электрического поля импульсный разряд является неустойчивым. Предварительная ионизация газа в данных условиях разряда позволяет стабилизировать во времени начало импульсов напряжения и разрядного тока, осуществить пространственную однородность плазмы и хорошую воспроизводимость параметров получаемого осесимметричного разряда. В таблице приведены экспериментально измеренные величины максимального разрядного тока (в момент начала резкого падения напряжения в газе) I_макс и расчетные величины степени неравновесности плазмы N_m/N_e для различных значений приведенного электрического поля E/N₁. Способ осуществляют с помощью устройства, изображенного на фиг. 1, следующим образом. Разряд зажигают в трубке длиной 30 см и диаметром 3 см, заполненной спектрально чистыми инертными газами (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон) при давлениях 1-30 мм рт.ст. что обеспечивает получение требуемых малых значений приведенного электрического поля. Конденсатор 1 емкостью С= (0,005-1,0) мкф, заряженный до напряжения 1-10 кВ от высоковольтного источника ВВ-1 2, разряжается через разрядную трубку РТ 3, заполненную газом при давлении 1-30 мм рт.ст. и тираторон ТГИ-16 4, работающий в ключевом режиме. Предварительная ионизация газа осуществляется постоянным фоновым током величиной 0,2-20 мА, формируемым высоковольтным источником ВВ-2 5, включенным в цепь анода разрядной трубки 3 через сопротивления R_б 6 и активное переменное сопротивление R_a 7, которое соединяет анод трубки 3 также с тиратроном. При выбранных параметрах элементов схемы импульсный разряд в газе возникает в результате приложения к нему импульсного напряжения амплитудой 1-10 кВ и длительностью переднего фронта (1-2) 10^-7с. В результате амплитуда импульсов разрядного тока составляет 0,1-100 А длительностью 1-3 мкс, а введение активного сопротивления 7 позволяет регулировать величину разрядного тока в импульсе в диапазоне требуемых значений 0,1-1 А (см. таблицу). Активное сопротивление R_a 7 позволяет регулировать отношение N_m/N_e в широких пределах. Величину R_a подбирают опытным путем так, чтобы величина активного сопротивления была сравнима с сопротивлением разрядной трубки РТ 3 в момент времени t_m, т.е. 0 R_a R_тр/t-t_м. В этом случае за счет перераспределения напряжения между разрядной трубкой 3 и активным сопротивлением 7 можно менять как величину концентрации электронов, так и скорость ее нарастания, не влияя на кинетику возбужденных атомов. Путем подбора активных сопротивлений можно осуществить энергетическое управление скоростью нарастания концентрации электронов, искажая задний фронт импульса напряжения и таким образом изменить время существования неравновесной плазмы при N_m/N_e>10 от десятых долей до десятков микросекунд и при этом регулировать величину разрядного тока в импульсе в диапазоне 0,1-1,0 А. Для получения неравновесной плазмы накладывают ограничения на внешние параметры, а именно на величину зарядной емкости С_н и величину импульсного напряжения. В этом случае энергия, запасенная в конденсаторе С_н, по порядку величины должна соответствовать в основном энергии возбуждения n_p⁵ (n+1)S состояний, т.е. 0,5 E_вoзбN_mV_тр где E_возб энергия возбуждения n_p⁵ (n+1)S состояния атомов инертных газов; V_тр объем разрядной трубки, что позволяет приближенно оценить величину зарядной емкости С, используя значения внешнего электрического поля, давление газа и длину разрядного промежутка. При E/N₁>25Т_д введенная в разряд энергия расходуется, главным образом, на ионизацию атомов, концентрация возбужденных атомов становится сравнимой с концентрацией электронов, поэтому соотношение N_m/N_e становится 0,5 E_вoзбN_mV_тр 1. Поскольку внутренние кинетические процессы в плазме определяют момент наступления пробоя в газе и время наступления пробоя может быть рассчитано теоретически подбором внешних параметров цепи (емкости С_н и амплитуды импульса напряжения U) можно получить такую длительность импульса, которая будет равна промежутку времени от начала воздействия на газ до начала пробоя, что и обеспечит прерывание импульсного воздействия в нужный момент. В качестве примера конкретного выполнения была получена неравновесная плазменная среда в аргоне. В разрядной трубке находится газ под давление 10 мм рт. ст. К трубке прикладывают импульсное электрическое поле, приведенная величина которого составляла 13Т_д. Активное сопротивление R_aустанавливают равным 240 Ом, пропускают фоновый ток 5 мА. Это позволяет получить разрядный ток величиной 0,8 А, а отношение концентраций возбужденных атомов и электронов N_m/N_e=50. Длительность импульса напряжения 2 мкс. Контроль разрядного тока в импульсе и концентрации возбужденных атомов показывает, что требуемая степень неравновесности плазмы осуществляется при указанных значениях параметров. Контроль проводят по характеристикам послесвечения плазмы. Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается прежде всего в возможности регулировать параметры неравновесной плазмы, что может быть использовано при создании источников неравновесной плазмы (плазмотроны). Наиболее важными приложениями представляются научные исследования по изучению физики плазмы, исследованию послесвечения атомов в возбужденном состоянии. Предлагаемый способ позволяет определять эффективные параметры послесвечения, а также величину атомных констант, исследовать сечение возбуждения атомов при различных энергиях. Преимущества предлагаемого способа по сравнению с прототипом состоят в возможности получения неравновесной плазмы с контролируемым соотношением концентраций возбужденных атомов и электронов, что достигается искажением заднего фронта импульса напряжения за счет аппаратурного приема. Получаемая неравновесная плазма характеризуется хорошей воспроизводимостью параметров, а за счет использования фонового поля пространственной однородностью в продольном направлении и осесимметричным разрядом, стабилизацией во времени импульсов напряжения и разрядного тока.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ СРЕДЫ, включающий пропускание разрядного тока через инертный газ при приложении к нему фонового электрического поля и подачу импульса электрического поля, отличающийся тем, что, с целью получения неравновесной плазмы с высокой концентрацией возбужденных частиц при стабильных условиях воспроизводимости параметров неравновесности, к плазме прикладывают стационарное фоновое электрическое поле, контролируют ток разряда в газе, при этом импульс напряжения электрического поля обрывают в момент начала пробоя в газе и формируют спадающий фронт импульса напряжения с помощью активного сопротивления, включенного последовательно в разрядную электрическую цепь, причем величину приведенного электрического поля выбирают в диапазоне (8 - 25) 10^-17 В/см². 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью периодического возбуждения неравновесного состояния плазмы заданной величины, импульсное электрическое поле прикладывают с периодом следования, равным времени восстановления фонового электрического поля в газе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 30.06.1996

Номер и год публикации бюллетеня: 14-2001

Извещение опубликовано: 20.05.2001