Способ определения параметров нейтральной и электронной компонент неравновесной плазмы

Авторы патента:

Мурильо Хиллер Оскар Габриэль (RU)

Грабовский Артем Юрьевич (RU)

Сухомлинов Владимир Сергеевич (RU)

Мустафаев Александр Сеит-Умерович (RU)

H05H1/24 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2648268:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" (RU)

Изобретение относится к области диагностики плазмы и может быть использовано для исследований неравновесной анизотропной плазмы непосредственно в рабочих условиях широкого круга газоразрядных устройств: лазеров, плазмотронов, источников света, мощных стабилизаторов тока и напряжения, ключевых элементов, инверторов. Технический результат - определение набора параметров нейтральной (локальная температура) и электронной (транспортное сечение электрон-атомных столкновений и конвективная скорость) компонент плазмы. В исследуемом плазменном объекте регистрируют вторую производную ВАХ цилиндрического зонда, путем совместного использования экспериментальных данных и решения кинетического уравнения Больцмана реконструируют энергетические зависимости лежандровых компонент ФРЭС ƒ₀, ƒ₁ и ƒ₂ и интеграла электрон-атомных столкновений S₁ одновременно осуществляют точное измерение давления газа р и напряженности электрического поля Е_z. Способ обеспечивает определение температуры Т_а нейтральной компоненты плазмы и параметров электронной компоненты - транспортного сечения электрон-атомных столкновений и конвективной скорости электронов 〈v〉_конв. 5 ил.

Известен ионный денситометр для измерения плотности газа или пара в газоразрядных приборах (авторское свидетельство SU №457909, опубл. 25.01.1975 г.), в основе работы которого лежит явление резонансной перезарядки, происходящей в пространстве, заполненном исследуемым газом, между коллектором, находящийся под замедляющим ионы потенциалом, и дополнительным электродом, находящимся под ускоряющим ионы потенциалом.

Способ определения плотности газа состоит в одновременном измерении тока ионов на коллектор J_к и на дополнительный электрод J_∂. Концентрация нейтральных атомов (плотность газа) интегрально определяется по формуле

где L - расстояние между коллектором и дополнительным электродом, см; Q - сечение перезарядки, см².

Недостатками являются невозможность определения локальной концентрации и температуры нейтральной компоненты плазмы (атомов), транспортного сечения электрон-атомных столкновений, конвективной скорости электронов, а также зависимость размеров межэлектродного промежутка от давления газа.

Известен способ определения пространственного распределения параметров плазмы (заявка RU 92005122, опубл. 27.02.1995 г.), основанный на измерении спектрального распределения интенсивности излучения в фиксированных интервалах спектра, не содержащих резонансных линий. При этом записывают контуры спектральных линий, на которые накладывают теоретический спектр, рассчитанный из системы уравнений, включающей уравнение переноса излучения для неоднородного объема, выражение для коэффициента поглощения с учетом линий и непрерывного фона, уравнений кинетики заселения уровней в приближении блока возбужденных состояний и ряд дополнительных соотношений.

Недостатками аналога являются невозможность определения локальной температуры атомов плазмы, транспортного сечения электрон-атомных столкновений и конвективной скорости электронов.

Известен способ зондовой диагностики плазмы и устройство для его осуществления (патент RU 2503158, опубл. 27.12.2013 г.), включающий установку зонда в плазму, приложение к зонду дискретных ступенчатых импульсов напряжения, регистрацию вольтамперной характеристики (ВАХ), измерение потенциала плазмы. Напряжение каждой последующей ступени в импульсе задают большим по сравнению с предыдущей, ступени формируют с временными интервалами между ними, во время которых потенциал на зонде устанавливают равным потенциалу пространства плазмы. При этом длительность каждой ступени и интервалы времени между ними устанавливают не менее времени восстановления квазинейтральности плазмы.

Недостатками аналога являются: невозможность определения локальной концентрации и температуры атомов плазмы, транспортного сечения электрон-атомных столкновений и конвективной скорости электронов.

Известен способ определения параметров низкотемпературной плазмы (авторское свидетельство SU №1545766, опубл. 22.10.1989 г.), принятый за прототип, заключающийся в измерении функции распределения электронов по скоростям (ФРЭС) по второй производной ВАХ плоского двойного зонда, помещенного в плазму, отличающийся тем, что с целью определения локальной концентрации атомов плазмы одновременно с ФРЭС измеряют напряженность электрического поля и находят концентрацию атомов по формуле

где N_a - концентрация атомов, см^-3;

Е_z - напряженность электрического поля, В/см;

- транспортное сечение упругих электрон-атомных столкновений, см²;

ƒ₀ - изотропная часть ФРЭС;

ƒ₁ - анизотропная часть ФРЭС;

U - задерживающий потенциал зонда относительно плазмы, В.

Недостатками являются: невозможность определения локальной температуры атомов плазмы, транспортного сечения электрон-атомных столкновений и конвективной скорости электронов, техническая сложность изготовления плоских зондов.

Техническим результатом является определение набора параметров нейтральной (локальная температура) и электронной (транспортное сечение электрон-атомных столкновений и конвективная скорость) компонент плазмы.

Технический результат достигается тем, что измерения второй производной осуществляют цилиндрическим зондом при двух ориентациях относительно оси разряда, а энергетические зависимости лежандровых компонент функции распределения и интеграла электрон-атомных столкновений реконструируют путем совместного использования измеренных значений второй производной и кинетического уравнения Больцмана.

Способ определения параметров нейтральной и электронной компонент неравновесной плазмы поясняется следующими фигурами: фиг. 1 - вторые производные ВАХ цилиндрического зонда (относительные единицы), зарегистрированные в плазме положительного столба гелиевого тлеющего разряда при Р_Не=1 торр, J=0,5 А и двух ориентациях зонда относительно оси разряда: 1 - перпендикулярно (угол между нормалью к поверхности зонда и осью симметрии плазмы θ=0°); 2 - параллельно (θ=90°);

фиг. 2 - энергетические зависимости лежандровых компонент ФРЭС ƒ₀, ƒ₁ и ƒ₂, восстановленные в плазме положительного столба гелиевого тлеющего разряда (относительные единицы) при Р_Не=1 торр, J=0,5 А;

фиг. 3 - энергетическая зависимость лежандрова компонента интеграла электрон-атомных столкновений S₁, восстановленная в плазме положительного столба гелиевого тлеющего разряда при Р_Не=1 торр, J=0,5 А;

фиг. 4 - транспортное сечение упругого рассеяния электронов на атомах гелия. Точки - экспериментальные результаты, полученные предлагаемым способом; 1 - данные К. Kumar; 2 - расчет Sinfailam A.L., Nesbet R.K. матричным вариационным методом; 3 - расчет Burke P.G., Cooper J.W. методом сильной связи;

фиг. 5 - энергетическая зависимость конвективной скорости электронов, определенная при Р_Не=0,5 торр; 1, 2, 3 - расчет по формуле (3) для разрядных токов 0,1; 0,25 и 0,5 А соответственно; 4 - расчет по формуле (4).

Способ осуществляется следующим образом. Цилиндрический зонд, изготовленный из молибденовой проволоки диаметром 0,07 мм и длиной 1 мм, помещают в исследуемую плазму и при двух ориентациях относительно оси разряда регистрируют значения второй производной ВАХ зонда . На фиг. 1 приведены вторые производные , зарегистрированные в плазме положительного столба гелиевого тлеющего разряда при Р_Не=1 тор, J=0,5 А, 1-θ=0°; 2-θ=90°.

Далее ФРЭС и интеграл электрон-атомных столкновений представляют в виде разложения в ряды по полиномам Лежандра и реконструируют четные компоненты ФРЭС ƒ₀ и ƒ₂. Путем решения кинетического уравнения Больцмана (2) восстанавливают анизотропную часть ФРЭС ƒ₁.

На фиг. 2 представлены энергетические зависимости ƒ₀, ƒ₁ и ƒ₂, восстановленные плазме положительного столба гелиевого тлеющего разряда при Р_Не=1 торр, J=0,5 А.

Далее восстанавливают энергетическую зависимость компонента S₁ интеграла электрон-атомных столкновений (фиг. 3) и определяют локальную температуру Т_а атомов плазмы, транспортное сечение электрон-атомных столкновений и конвективную скорость электронов 〈v〉_конв.

Способ поясняется следующими примерами. В результате осуществления способа была проведена диагностика локальных параметров нейтральной и электронной компонент неравновесной плазмы. Известно, что аддитивный вклад упругого рассеяния электронов на атомах в S₁ в приближении неподвижных атомов равен:

Из этой формулы была определена величина транспортного сечения и его энергетическая зависимость (фиг. 4), т.к. значения S₁, ƒ₁, N_a известны, а вклад других процессов взаимодействия электронов в S₁ мал.

Измерение давления газа р и напряженности электрического поля Е_z позволяет определить локальную температуру атомов, связанную с их концентрацией и давлением формулой

откуда, проведя замену переменной v на U, получают с учетом формулы (1)

Таким образом была определена локальная температура атомов гелия на оси разряда при давлении 1 торр и разрядном токе 0,5 А, она оказалась равной Т_а=(574±45) К. Полученный результат хорошо согласуется с данными измерения Т_а оптическими методами.

Относительное измерение ƒ₀ и ƒ₁ позволяет определить конвективную скорость электронов 〈v〉_конв, усредненную по угловым координатам:

Если рассеяние электронов по импульсу происходит в основном при упругом взаимодействии с атомами, то компоненты ƒ₀ и ƒ₁ оказываются связанными между собой простой зависимостью:

В этих условиях конвективную скорость определяют по значениям ƒ₀ и измеренным Е_z:

Определенные по соотношениям (3) и (4) значения конвективной скорости электронов приведены на фиг. 5.

Таким образом, способ обеспечивает определение локальной температуры Т_а нейтральной компоненты плазмы и параметров электронной компоненты - транспортного сечения электрон-атомных столкновений и конвективной скорости электронов 〈v〉_конв.

Способ определения параметров нейтральной и электронной компонент неравновесной плазмы, включающий измерение функции распределения электронов по скоростям по второй производной зондовой вольтамперной характеристики, отличающийся тем, что измерения осуществляют цилиндрическим зондом при двух ориентациях относительно оси разряда, а энергетические зависимости лежандровых компонент функции распределения и интеграла электрон-атомных столкновений реконструируют путем совместного использования значений второй производной и кинетического уравнения Больцмана.

Похожие патенты:

Электродуговой плазмотрон // 2646858

Изобретение относится к области плазменной техники. .

Устройство управления вектором тяги плазменного двигателя (варианты) и способ управления вектором тяги плазменного двигателя // 2644810

Группа изобретений относится к управлению вектором тяги плазменных двигателей. Устройство содержит закреплённые на корпусе плазменного двигателя в зоне за срезом его выходного канала две или четыре прямоугольной формы рамочных магнитных катушки, расположенных открытыми частями рамок напротив друг друга.

Способ формирования тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и образованного ею канала необходимой длины // 2643530

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в плазме и в газоразрядных приборах. Технический результат - обеспечение возможности формирования тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и образованного ею канала на поверхности металла необходимой длины.

Плазменный экспандер изменяемого объёма // 2643525

Изобретение относится к плазменному экспандеру изменяемого объема и к устройствам для формирования плазмы для получения электронных или ионных пучков. Плазменный экспандер изменяемого объема имеет цилиндрическую форму, изготовлен из проводящих материалов, плазма попадает в него через отверстие в аноде, с другой стороны происходит частичное ограничение плазмы.

Прецизионный многопроволочный лайнер // 2643167

Изобретение относится к физике высоких плотностей энергии и термоядерного синтеза и может использоваться при получении мощных потоков мягкого рентгеновского излучения.

Способ повышения ресурса самонакаливаемого полого катода в сильноточном разряде в аксиально-симметричном магнитном поле // 2642847

Изобретение относится к области плазменной техники. Технический результат - повышение срока службы трубчатого самонакаливаемого полого катода в аксиально-симметричном магнитном поле.

Способ локальной диагностики максвелловской плазмы с помощью одиночного зонда ленгмюра // 2642493

Изобретение относится к способам исследования локальных параметров плазмы в газоразрядных источниках плазмы. В заявленном способе локальной диагностики максвелловской плазмы с помощью одиночного цилиндрического зонда Ленгмюра предусмотрено введение в газоразрядное пространство тонкого зондодержателя с зондом на конце в виде отрезка металлической нити, подключенной через источник зондового напряжения к металлическому корпусу газоразрядного устройства или дополнительному опорному электроду.

Устройство для генерирования плазмы из газовой среды посредством электронно-циклотронного резонанса (эцр) с высоким диапазоном вдоль одной оси // 2642424

Изобретение относится к области генерирования плазмы. Устройство содержит по меньшей мере два коаксиальных волновода (4), каждый из которых сформирован из центрального проводника (1) и внешнего проводника (2) для направления сверхвысокочастотных волн в камеру обработки.

Способы, использующие удаленную плазму дугового разряда // 2640505

Изобретение относится к способу и системе для нанесения покрытий на подложку. В системе узел нанесения покрытия расположен внутри вакуумной камеры.

Способ повышения эффективности работы плазменноводородного излучателя // 2640193

Изобретение относится к области плазменно-электромагнитного воздействия на различные виды материальной среды, расположенной как на близком, так и значительном расстояниях от излучателя.

Плазменный генератор // 2649314

Изобретение относится к области плазменной техники. Плазменный генератор содержит: модуль, генерирующий плазму, и вращающийся корпус, который имеет по меньшей мере одно плазменное сопло, через которое плазма, генерируемая модулем плазменного генератора, выдувается наружу, и который расположен отдельно от указанного модуля с возможностью вращения снаружи указанного модуля, содержащего высоковольтный электрод, расположенный в центральной области, противоэлектрод, расположенный вокруг высоковольтного электрода и заряжаемый электроэнергией, подаваемой на высоковольтный электрод, для генерирования высоковольтной дуги, и входное отверстие для газа, которое выполнено между высоковольтным электродом и противоэлектродом и через которое сжатый воздух или газ вводится в выпускную головку. Противоэлектрод содержит: первый противоэлектрод, имеющий цилиндрическую форму, и второй противоэлектрод, имеющий воронкообразную форму и соединенный с возможностью отсоединения с первым противоэлектродом. Вращающийся корпус содержит: ротор, с возможностью вращения расположенный снаружи модуля плазменного генератора, и выпускную головку с плазменным соплом, которая с возможностью отсоединения соединена с концом ротора и ширина которой постепенно увеличивается к концу. Ротор содержит первый ротор, с возможностью вращения расположенный в радиальном направлении снаружи первого противоэлектрода, причем между ними расположен подшипник, и второй ротор, один конец которого с возможностью отсоединения соединен с первым ротором, а другой конец с возможностью отсоединения соединен с выпускной головкой. 11 з.п. ф-лы, 10 ил.

Устройства для плазменных дуговых горелок с газовым охлаждением и относящиеся к ним системы и способы // 2649860

Изобретение относится к устройствам для плазменных дуговых горелок с газовым охлаждением. В заявленном изобретении сопла могут содержать корпус, имеющий проксимальный конец и дистальный конец, которые определяют длину корпуса сопла и его продольную ось. Корпус может содержать выходной жиклер, определенный дистальным концом; напорную камеру, проходящую от проксимального конца до дна напорной камеры, при этом расстояние от дна напорной камеры до дистального конца определяет толщину дна напорной камеры, а расстояние от дна напорной камеры до проксимального конца определяет высоту проксимального конца. Корпус также содержит отверстие, проходящее от дна напорной камеры до выходного жиклера. Длина корпуса сопла больше его ширины, а отношение высоты проксимального конца к толщине дна напорной камеры меньше 2,0. Техническим результатом является повышение эффективности охлаждения, улучшение характеристики резания, возможность создания более стабильных плазменных дуг и увеличение срока службы расходных компонентов. 3 н. и 35 з.п. ф-лы, 8 ил.

Способ подачи газа в сверхзвуковое сопло ускорителя газовых кластерных ионов // 2649883

Изобретение относится к области ускорительной техники, в частности к системам подачи газа в сверхзвуковое сопло при формировании пучков ускоренных газовых кластерных ионов. Технический результат - расширение класса рабочих газов, в том числе слабо кластеризуемых, используемых в системах для формирования газовых кластерных ионных пучков. Способ предусматривает формирование газового кластерного ионного пучка в вакуумной камере при подаче рабочего газа под давлением от источника газа в сверхзвуковое сопло ускорителя газовых кластерных ионов, при этом формирование газового кластерного ионного пучка осуществляется путем импульсной подачи газа от источника, при значении давления стагнации, не превышающем 7 атм, и при длительности импульса тока кластерных ионов, на 1-2 порядка превышающей длительность подачи газа от источника. 4 ил., 1 табл.

Системы, способы и устройства для передачи информации в системы термообработки // 2649906

Изобретение относится к системам термообработки. Сменный расходуемый компонент для осуществления операции резания или сварки включает в себя корпус и считываемое устройство хранения данных, присоединенное к корпусу или встроенное в корпус, причем устройство хранения данных содержит операционную инструкцию для устройства резания или сварки и выполнено с возможностью считывания внутри горелки для термообработки. Технический результат- облегчение управления и оптимизация работы системы термообработки.8 н. и 57 з.п. ф-лы, 12 ил.

Многоступенчатый плазмотрон // 2650197

Изобретение относится к генераторам плазмы, а именно к плазменным реакторам с увеличенными объемом плазмы и величиной вводимой в плазму электрической энергии, и может быть использовано в металлургии для прямого восстановления металлов, в материаловедении для синтеза порошков, в плазмохимии для реализации высокотемпературных химических реакций, в экологии для переработки производственных отходов, а также других областях техники. Технический результат - повышение мощности гибридного плазмотрона при сохранении преимуществ комбинированного разряда. Многоступенчатый плазмотрон включает в качестве первой ступени разрядную камеру с центральным электродом, СВЧ генератор и средства ввода реакционных газов и исходного материала в разрядную камеру, источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого подсоединен к центральному электроду, а положительный - к стенкам камеры, магнитную систему с внешним соленоидом, трубу, установленную у выходного отверстия разрядной камеры, а в качестве последующих ступеней - пары электродов, размещенных в трубе между ее стенкой и осью трубы и разнесенных по ее длине и азимуту, при этом каждая пара электродов подсоединена к источнику тока. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.