Дослідження кінетичних процесів, що мають місце в джерелі негативних іонів, роботи джерела в імпульсно-періодичному режимі. Перенос плазми в джерелі негативних іонів водню з відбитковим розрядом. Вплив домішок цезію на емісійні характеристики джерела.
Аннотация к работе
Зростання інтересу до отримання й дослідження пучків негативних іонів, що спостерігається в останні роки, зумовлено не тільки їхнім широким використанням в прискорювальній техніці, в атомній і іонній фізиці, в іонних технологіях, але, головним чином, - перспективою застосування в інжекторах нейтральних часток для нагріву термоядерної плазми, що утримується магнітним полем. Потужні пучки нейтральних атомів водню з енергією порядку 1 МЕВ і еквівалентним струмом до 10 А, які отримують при нейтралізації пучків негативних іонів шляхом відриву електронів зовнішніх оболонок, практично не мають обмеження зверху по енергіях на відміну від пучків, що отримують при нейтралізації позитивних іонів. Але низька енергія звязку додаткового електрона з атомом або збудженою молекулою водню, у свою чергу, ускладнює завдання створення інтенсивних пучків таких іонів, і тривалий час можливість широкого застосування подібних пучків стримувалася відсутністю способів їх одержання. Створення нових ефективних джерел іонів Н-вимагало ретельних і глибоких досліджень як процесів, відповідальних за утворення й розпад іонів Н-, так і всього спектру фізичних процесів, що відбуваються у водневих розрядах із магнітним полем. У теоретичних дослідженнях плазмових бесцезіевих систем розглядався випадок просторово-однорідного розподілу плазми, що дозволяло отримати лише значення концентрації іонів Н-у розряді.У вступі стисло розповідається про історію, актуальність та сучасний стан проблем, що повязані з отриманням негативних іонів водню, й вивчення фізичних процесів, які мають місце в джерелах таких іонів. Окремо описуються процеси в поверхневих джерелах іонів, де негативні іони утворюються в результаті емісії з поверхні або при термодинамічно рівноважних умовах (термоемісійні джерела), або в результаті бомбардування поверхні частками з великою енергією (вторинно-емісійні, поверхнево-конверсійні й поверхнево-плазмові джерела); а також у перезарядних джерелах, де заздалегідь сформовані пучки прискорених часток перезаряджаються на спеціальних мішенях у пучки негативних іонів (причому області формування, прискорення й перезарядки просторово розділені), і які можуть розглядатися як різновид обємних джерел (у випадку газової або плазмової мішені, або як різновид поверхнево-конверсійних джерел - у випадку твердотільної мішені). Основним механізмом утворення негативних іонів є дисоціативне прилипання електронів до коливально-збуджених молекул водню з рівнем збудження v ? 5: e H2(v) a H2-a H- H, причому значення перерізу цього процесу для коливально-збуджених молекул виявляється на 3 ? 5 порядків більшим, ніж для незбуджених. Тому при чисельному моделюванні кінетичних процесів у джерелі негативних іонів водню з відбитковим розрядом здійснювався розрахунок функції розподілу електронів по енергіях f0 з рівняння Больцмана: , де e-енергія (ЕВ); Т - температура газу (ЕВ); е - заряд електрону; Mi, Ni і Qi - маса, концентрація молекул і відповідні транспортні перетини; m - маса електрону; Se і See - інтеграли непружних зіткнень електронів з нейтральними частками й електронами; З підвищенням густини струму в розряді процеси загибелі іонів Н-при взаємній рекомбінації (процеси 13 і 14) і зіткненнях з електронами (процес 17) стають визначальними.Створено теорію джерела негативних іонів водню з відбитковим розрядом, яка дозволила істотно оптимізувати робочі характеристики джерела: збільшити вихід негативних іонів водню, підвищити його газову економічність.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
Створено теорію джерела негативних іонів водню з відбитковим розрядом, яка дозволила істотно оптимізувати робочі характеристики джерела: збільшити вихід негативних іонів водню, підвищити його газову економічність. Дослідження джерела проводилося за допомогою чисельного розвязання системи кінетичних рівнянь включно з рівнянням Больцмана. Результати розрахунків добре узгоджуються з експериментами. Розроблена методика може бути застосована для розрахунку інших плазмових систем, зокрема, для плазмових джерел іонів інших типів.
На основі даної теорії, отримані такі результати: · виявлено, що при більших питомих енергіях, що вводиться у розряд, значно підвищується концентрація негативних іонів і газова економічність, але перевищення питомої потужності певних меж призводить до зменшення темпу накопичення Н- внаслідок того, що визначальними процесами руйнування негативних іонів стають іон-іонна рекомбінація й розсіювання на електронах;
· знайдено, що при оптимальних співвідношеннях тривалості й шпаруватості імпульсу можливо збільшення густини негативних іонів H- порівняно із стаціонарним режимом при тих же значеннях питомих енерговкладів, що пояснюється меншим вмістом атомарного водню в цьому режимі;
· вперше отримано розподіл густини негативних іонів водню вздовж радіусу розрядної камери; показано, що цей розподіл має істотно немонотонний характер, зумовлений конкуренцією процесів утворення та загибелі іонів H-, знайдено оптимальне співвідношення між радіусами розрядної колони й анода, яке узгоджується з експериментом;
· показано, що додавання цезію призводить до зменшення електронної температури в області розряду й, отже, до зменшення швидкості збудження коливальних рівнів молекул водню й швидкості відривання електронів від негативних іонів, чим пояснюється зміна компонентного складу плазми, яка спостерігається в експериментах;
· вперше встановлено, що врахування тільки обємних процесів за участю цезію не може призвести до помітного зростання струму, що витягується, у той час як поверхневі процеси здатні забезпечити значне збільшення цього параметра;
· показано, що при переході до низьких тисків і малої питомої потужності параметри плазми джерела наближаються до параметрів двокамерних джерел.
Список литературы
1. Головинский П.М., Горецкий В.П., Рябцев А.В., Солошенко И.А., Тарасенко А.Ф., Щедрин А.И. Влияние цезия на эмиссию отрицательных ионов водовода из источника с отражательным разрядом // ЖТФ. - 1991. - Т.61, вып.10. - С.46-52.
2. Горецкий В.П., Рябцев А.В., Солошенко И.А., Тарасенко А.Ф., Щедрин А.И. Кинетические процессы в источниках отрицательных ионов водорода при большой удельной мощности разряда // ЖТФ. - 1993. - Т.63, вып.9. - С.46-52.
6. Горецкий В.П., Рябцев А.В., Солошенко И.А., Тарасенко А.Ф., Щедрин А.И. Сравнительные эмиссионные характеристики источника отрицательных ионов водорода с отражательным разрядом в режимах с Cs и без Cs // ЖТФ. - 1999. - Т.69, вып.4. - С.102-109.
7. Goretsky V.P., Ryabtsev A.V., Soloshenko I.A., Tarasenko A.F., Tschedrin A.I. Comparative Emission Characteristics of a Source of Hydrogen Negative Ions with a Reflective Discharge under Conditions with and without Cs // УФЖ. - 1999. - т.44. № 1-2. - с. 117-126.
8. Goretsky V.P., Ryabtsev A.V., Soloshenko I.A., Tarasenko A.F., Tschedrin A.I. Comparative Emission Characteristics of a Source of Hydrogen Negative Ions with a Reflective Discharge in Conditions with Cs and without Cs // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics. - 1999. - Issues3-4. - p.250-252
9. Goretsky V.P., Ryabtsev A.V., Soloshenko I.A., Tarasenko A.F., Tschedrin A.I. Kinetic Processes in the Negative Ion Sources under High Power Discharge // 6th Intern. Symp. on Prodaction and Neutral. of Negative Ions and Beams, Upton, NY (USA). - 1992. - p. 201-209.
10. Golovinsky P.M., Goretsky V.P., Ryabtsev A.V., Soloshenko I.A., Tarasenko A.F., Tschedrin A.I. Cesium influence on H- Ion Emission from a Source with Reflection-Type Discharge // 6th Intern. Symp. on Prodaction and Neutral. of Negative Ions and Beams, Upton, NY (USA). - 1992. - p.430-440.
11. Goretsky V.P., Ryabtsev A.V., Soloshenko I.A., Tarasenko A.F., Tschedrin A.I. Plasma Transfer Process in Hydrogen-Negative Ions Source Based on Reflective Discharge // 7th Intern. Symp. on Prodaction and Neutral. of Negative Ions and Beams, Upton, NY (USA) - 1995 - p.157-163.
12. Soloshenko I.A., Shchedrin A.I., Ryabtsev A.V. Studying of Negative Ions Source Based on Reflective Discharge in Regines with Cesium Added and Without Cesium // Eighth International Symposium Production and Neutralization of Negative Ions and Beams & seventh European Workshop Production and Application of Light Negative Ions - Villagium of Giens (France) - 1997. - p.139-157.