Системы создания плазмы. Плазменные установки

1. С.В. Полосаткин ТПЭ

Системы создания плазмы
Полосаткин Сергей Викторович, тел.47-73
пятница, 10.45 – 12.20
http://www.inp.nsk.su/students/plasma/sk/tpe.ru.shtml

2.

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

3.

Q - машина
Термическая ионизация
Формула Саха:
Водород – 13,6 эВ
Цезий – 3,89 эВ
ni2
1 I KT
~ 3 e
na dB

4.

Q - машина
Термическая ионизация
Формула Саха-Ленгмюра:
I – потенциал ионизации
Водород – 13,6 эВ
Цезий – 3,89 эВ
ni g i I KT
e
na g a
– работа выхода
Вольфрам =4,5 эВ
T=2500 K
Cs+
Cs0
n~108 см-3

5.

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

6.

Ионизация электронным ударом
4 I W I
e a
W2
2
b
Сечение ионизации (формула Томсона)

7.

Ионизация внешними электронами
(несамоподдерживающийся разряд)
Плазма
Катод
Сечение ионизации молекулярного водорода
e-
H2+e=H2++2e
H2+e=H+H++2e
U
(база данных ALADDIN: http://www-amdis.iaea.org/ALADDIN/)
Доля атомарного водорода 3-6%

8.

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

9.

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

10.

Разряд с осциллирующими электронами
Мультипольная магнитная стенка

11.

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

12.

Разряд с осциллирующими электронами
Магнетронный разряд
Катод 0 В
Анод +1000 В
B
Магнетрон

13.

Разряд с осциллирующими электронами
Магнетронный разряд
Магнетронная распылительная
установка

14.

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

15.

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

16.

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

17.

Развитие разряда
Таунсендовская теория пробоя
Количество свободных носителей мало
(электрическое поле не искажается
пространственным зарядом)
катод
Образование вторичных электронов:
- ионизация газа электронным ударом
- эмиссия с катода из-за бомбардировки ионами
E
F
n0
n0
Таунсенд нашел явный вид
z
предположив, что электрон ионизирует атом, если в процессе его ускорения в электрическом поле он достигает
энергии, превышающей потенциал ионизации:
e E z > I.
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/ ).
P z
I
I
An0 exp( )
eE
eE
Б.А.Князев.“Низкотемпературная плазма и газовый разряд” Новосибтрск 2003

18.

Электрический пробой в газах
Длина свободного пробега обратно пропорциональна плотности газа
V
n0 V
A
n0
Тогда первый коэффициент Таунсенда
B
A exp(
)
n0
( E / n0 )
Распределение по длине
dne
Vd
n0 ne iV ni ne rV
dz
рекомбинацией
- уравнение непрерывности
пренебрегаем
z
ne ( z ) nez 0 exp
0
n0 iV
Vd
z
dz nez 0 exp dz
0
Плотность электронов экспоненциально возрастает при их движении к анодуЭЛЕКТРОННАЯ ЛАВИНА

19.

Электрический пробой в газах
В другом виде:
- первый коэффициент Таунсенда количество актов ионизации
на единицу длины пробега
Условие зажигания разряда:
число электронов, число ионов, созданных
йщйщ
выбиваемых из Чіиспущенным с катода
къкъ
къкъ
катода ионом
электроном
лылы
йщ L
g - второй коэффициент Таунсенда - γ Ч ікъexp x dx
коэффициент вторичной эмиссии
къ
лы 0
gL і+ln 1 1
1
1
1

20.

Электрический пробой в газах
Кривая Пашена
Напряжение пробоя
U ЧE L
Uf
BpL
U
ApL
ln
ln 1 + 1 g
Lopt ~ 1
n
длина свободного
пробега

21.

Электрический разряд в газах
Напряжение на промежутке
Темный разряд
Тлеющий разряд
дуга
Vf
Нормальный тлеющий разряд
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
Разрядный ток в амперах
1
100

22.

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

23.

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

24. Свойства дуги как разряда в газе

Катод
Анод
Uk
Ud
Ua
ld
Ud=α+β×l
• Малое приэлектродное
падение потенциала α (1040 В)
• Высокая плотность тока
(102-103 А/см2 )
• Термическая ионизация
газа в межэлектродном
промежутке (Т =4000-6000
К)
• Термоэлектронная
эмиссия на катоде

25.

Плазмотроны
Плотность теплового потока ~
10 6 10 7 Вт
см 2

26.

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

27.

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

28.

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

29.

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

30.

Конструкция источника плазмы
ЗАДАЧИ
Создание начальной ионизации и организация встречного тока в 12-метровой
металлической вакуумной камере
Уменьшение энергетической нагрузки на электроды и приемник пучка
высоковольтные
электроды
вакуумная камера
выходной
коллектор
катушки маг. поля
плазма
пояс Роговского
дополнительный поджиг
0.5 м
к системе
откачки
•Перенос приемника пучка в область расширителя с пониженным магнитным полем
•Использование электродов, расположенных вне области прохождения пучка

31.

Схема питания источника плазмы
30 кВ
48 мкФ
1
2
5 кА
J(z)
Jtest
Jout
3
•-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