Исследование источника фотоионизации на основе

Исследование источника фотоионизации…
А.О. БАКУМОВ, В.В. ГОРОХОВ, А.С. ДОЛОТОВ, М.М. ИВАНОВ,
И.Г. ФЕДОСЕЕВ, В.А. ЧЕРНЫШОВ
РФЯЦ ВНИИ экспериментальной физики, Саров, Нижегородская обл.
ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКА ФОТОИОНИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ
СИЛЬНОТОЧНОГО РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
Представлены результаты разработки и исследования источника фотоионизации на основе сильноточного разряда в аргоне в интервале давлений 3...30 тор. Исследованы зависимости концентрации электронов плазмы от расстояния
до источника и давления газа. Показано, что излучение плазмы сильноточного разряда обеспечивает ионизацию газа в
объеме 1…3 л с концентрацией 1010...1011 см–3.
Для решения ряда научных и прикладных задач актуальным является создание больших
объемов плазмы при давлении газа 3…30 торр с электронной плотностью 109 см–3 и выше.
Плазма с такими параметрами формируется в устройствах на основе вольерного разряда
[1, 2] или разряда с полым катодом [3]. Однако их недостаток – присутствие экранирующих плазму электродов на периферии разряда.
Этого недостатка лишены источники жесткого ультрафиолетового (УФ) излучения. Эффективными УФ-излучателями являются импульсные сильноточные разряды (СР), значительная доля
энергии излучения которых лежит в области вакуумного ультрафиолета [4, 5]. В СР температура и
спектр излучения определяются удельной электрической мощностью, максимальные значения которой реализуются в импульсном режиме работы.
Экспериментальная аппаратура. Исследования формирования плазмы излучением СР
проводилась на стенде с рабочим объемом 1…3 л (рис. 1).
Основной элемент стенда – цилиндри3
ческая камера внутренним  105 мм. Камера
состоит из трех идентичных секций 1 длиной 115 мм. Для ионизации газа использовался СР между электродами доработанной
автомобильной свечи. Доработка свелась к
удалению Г-образного электрода. Автомобильная свеча 2 размещалась на одном из
торцевых фланцев камеры. Источник питания СР обеспечивал выходное напряжение
2
до 5 кВ и ток до 10 кА. При запасенной в
источнике энергии 13…30 Дж длительность
импульса тока составляла 50...150 мкс по
основанию.
Плотность электронов плазмы измеря1
лась ионизационной камерой (ИК) 3, закрепленной на штанге переменной длины. ИониРис. 1. Газовая камера
зационная камера представляет собой систему из двух плоскопараллельных электродов  80 мм, расположенных на расстоянии 10 мм друг от
друга. Дальний от СР электрод выполнен сплошным, ближний  сетчатым с 50 % пропусканием. К
электродам ИК прикладывается напряжение 10 В, меньшее потенциала возбуждения атомов аргона на нижний метастабильный уровень. Изменением длины штанги ИК перемещалась внутри камеры. Плотность электронов измерялась с точностью не хуже 30 %.
Экспериментальные результаты. Эксперименты показали, что СР обеспечивает в рабочем
объеме при давлении аргона 3…30 Торр концентрацию электронов плазмы 1010...1011 см–3.
На рис. 2 представлены зависимости плотности электронов плазмы от давления аргона (расстояние до СР 5 см) и расстояния до СР.
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том II
1
Исследование источника фотоионизации…
а
4.0
эксперимент
аппроксимация
б
3.5
ne∙1011,
см-3
ne∙1011,
см-3
4
3.0
3
2.5
2
1
2.0
1.5
эксперимент
аппроксимация
5
5
10
15
р, торр
20
25
30
0
0
5
10
15
z, см
20
25
30
Рис. 2. Зависимость плотности электронов плазмы от давления (а)
и расстояния до cильноточного разряда (б)
Видно, что с ростом давления газа и расстояния до СР плотность электронов плазмы уменьшается, что обусловлено сильным поглощением УФ излучения СР в аргоне при давлении
3…30 торр.
Ионизация газа импульсным сильноточным разрядом. Физическая модель. Ионизация
газа в рабочем объеме определяется удельной электрической мощностью и энерговыделением в
СР. Так как электрические параметры СР измеряются, а геометрические трудно определимы, то
для понимания динамики процессов ионизации целесообразно провести оценки эффективных геометрических размеров канала СР. Кроме того, для проектирования крупных установок актуально
создание модели, позволяющей определять ионизационную способность более мощных излучателей на основе данного типа СР.
Кинетика ионизации и рекомбинации. При оценках будем считать, что при воздействии
ионизирующего излучения основным механизмом формирования плазмы является фотоионизация
из основного состояния, а рекомбинации – фоторекомбинация [6].
Для описания этих процессов запишем уравнение кинетики в виде
dne  dne 
 dne  ,

 

dt  dt ph  dt rec
(1)
dn
dn
где ne – плотность электронов плазмы;  e  и  e   2  ne2 – скорости фотоионизации и
 dt  ph  dt rec
фоторекомбинации;  2 – константа скорости рекомбинации [6].
Кроме того, будем полагать, что при поглощении фотона с энергией, достаточной для ионизации газа, вероятность ионизации равна единице. Тогда в предположении планковского спектра
излучения СР, скорость фотоионизации может быть найдена интегрированием в пределах частот
qV
излучения от i  i до    [7]:
kT

2
 dne   2        e   x d  ,


(2)
 dt ph c 2  h
i e kT  1
где Vi  потенциал ионизации; q  заряд электрона;      коэффициент поглощения излучения; Т
 температура излучателя; h  постоянная Планка; k  постоянная Больцмана; c  скорость света в
вакууме; x  расстояние до источника.
Поскольку коэффициент поглощения обратно пропорционален длине свободного пробега
квантов ионизирующего излучения:
1
  
 n0      ,
(3)
 
здесь n0  плотность нейтралов;     – сечение фотоионизации атомов из основного состояния
[8]; скорость фотоионизации с учетом выражений (2), (3) и h    k  T может быть записана как
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том II
2
Исследование источника фотоионизации…

h

 n0    x
2    n0
 dne 
      2  e k T
d .

 

2
c
 dt ph

(4)
i
Из выражений (1) и (4) видно, что единственной неопределенной величиной, входящей в
уравнения, является температура излучателя T.
Температура источника СР. Для оценки T положим, что плазма столба импульсного СР
является оптически плотной и для нее выполняется условие термодинамического равновесия. Тогда, пренебрегая потерями на теплообмен в газе, для однородного столба плазмы баланс мощности
запишется в виде
U  I  Pизл ,
(5)
где U, I – напряжение и ток разряда; Pизл – мощность излучения.
Тогда из закона Стефана–Больцмана:
(6)
Pизл  S   T 4
найдем температуру источника
U I
(7)
.
T4
S
Здесь σ – постоянная Стефана–Больцмана; S  площадь излучающей поверхности.
Сравнение расчетных и экспериментальных данных. Фотографирование СР позволяет
сделать лишь оценки геометрических размеров излучающего канала. Поэтому в расчетах положим, что канал разряда имеет форму цилиндрического шнура длиной l и диаметром d. Длину СР
можно приближенно положить равной межэлектродному расстоянию, а диаметр канала считать
варьируемым параметром. Варьирование d осуществлялось до наилучшего совпадения расчетных и экспериментальных зависимостей плотности электронов плазмы от времени для разных
расстояний от СР.
На рис. 3 представлены экспериментальные
и расчетные зависимости плотности электронов
плазмы от времени (расстояние до СР – 5 см), из
которых видно, что формы расчетных и экспериментальных кривых хорошо коррелируют до
40 мкс, далее наблюдается заметное расхождение
результатов. Наилучшее совпадение расчетных и
экспериментальных кривых наблюдается для
Рис. 3. Экспериментальная и расчетная
d = 0,5 мм.
зависимости концентрации электронов
плазмы от времени
Заключение. Разработан источник ионизации газа пониженного давления на основе сильноточного разряда между электродами доработанной автомобильной свечи зажигания.
Исследованы электрические характеристики и его ионизационная способность разряда.
Предложена физическая модель, позволяющая качественно описывать результаты экспериментов и экстраполировать применение данного СР для более крупных установок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Васильева Н.В., Волков Н.В., Новгородов М.З. и др. // Физика плазмы. 1982. Т. 8.
Вып. 2. С. 619.
2.
Волков Н.В., Бейлис И.И. // Теплофизика высоких температур. 1992. № 4. С. 664.
3.
Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под ред. В.Е. Фортова . Т. II. М:
Наука, 2000.
4.
Жигалкин А.К., Сидоров Ю.Л. // ПТЭ. 1980. № 6. С. 146.
5.
Карпов Л.Г., Лозовой С.И., Сергеев Ю.Л. // ПТЭ. 1978. № 1. С. 184.
6.
Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под ред. В.Е. Фортова. Т. I. М.: Наука,
2000.
7.
Энгель А. Ионизованные газы. М.: Гос. издательство физ.-мат. литературы, 1959.
8.
Callen D.E., Hubbe J.H., Kissel L. EPDL 97: The Evaluated Photon Data Library 97
Version // Lawrence Livermore National Laboratory. Report UCRL-50400. 1997. V. 6. Rev. 5.
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том II
3
Исследование источника фотоионизации…
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том II
4