РАЗДЕЛ 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
В соответствии с задачами настоящей диссертации исследование физических процессов, отвечающих за образование и динамику отрицательно заряженных частиц в открытых плазменных электромагнитных ловушках, проводилось на следующих экспериментальных устройствах: пеннинговская система разрядных электродов с холодными катодами, пеннинговская система разрядных электродов с полым катодом, однощелевая остроугольная электромагнитная ловушка с плазменным источником электронов.
Экспериментальное оборудование также состояло из вакуумной рабочей камеры, системы разрядных электродов, системы создания магнитного поля, вакуумной системы, системы электропитания, систем контроля вакуума и напуска рабочего газа, диагностической аппаратуры. Структурная схема экспериментальной установки показана на рис.2.1.
Разрядные электроды и диагностические устройства помещались внутри заземленной цилиндрической вакуумной рабочей камеры из нержавеющей стали диаметром 15 см. Конструкции разрядных электродов и диагностических устройств описаны в подразделах 2.1 и 2.2.
Для изоляции разрядных электродов, которые подвергались сильному тепловому нагреву, в рабочей камере применялись керамические и стеклянные изоляторы. Температура конструкционных элементов газоразрядных систем определялась с помощью термопарных датчиков.
Диагностические устройства крепились на трехкоординатном передвижном устройстве, установленном на торцевом фланце установки. Передвижное устройство позволяло помещать систему датчиков в любую точку разрядного пространства без нарушения вакуума в рабочей камере. Подвижные вводы и вакуумные уплотнения были сделаны из вакуумной резины. Торцевые
Рис.2.1. Схема экспериментальной установки.
1 - рабочая камера; 2 - система разрядных электродов; 3 - катушки магнитного поля; 4 - трехкоординатное передвижное устройство для диагностических датчиков; 5 - фланцы; 6 - система напуска рабочего газа СНА-1; 7 - датчики вакуумметра.
фланцы были изготовлены из органического стекла и позволяли визуально наблюдать плазменные процессы в рабочей камере.
Вакуумная система включала в себя стандартный паромасляный насос с быстротой откачки 700 л/с в диапазоне давлений рабочего газа Р = 10?6 ? 10?3 Тор и форвакуумный насос предварительного разряжения РВН-20. Остаточное давление в рабочей камере составляло Рост = 4?10-6 Тор. В качестве рабочих газов применялись различные газы: особо чистый водород, баллонный водород, воздух, аргон, SF6, смесь аргона и водорода, смесь аргона и SF6. Подача газов в рабочую камеру осуществлялась как через игольчатый натекатель, так и через систему напуска СНА-1. Газовые смеси поступали в рабочую камеру через газовый смеситель. Напуск особо чистого водорода осуществлялся из металлогидридного блока внешнего напуска [98]. Общий расход рабочих газов изменялся в пределах v = 0,1 - 1,1 Атм?см3?c-1. Скорость натекания рабочего газа определялась по скорости заполнения вакуумным маслом измерительной трубки, соединенной с системой напуска. Давление рабочего газа P = Pabs?C измерялось в рабочей камере вакуумметром ВИТ-1А и регулировалось с помощью изменения скоростей газопотока или откачки, где Pabs - действительное давление газа, С - чувствительность датчиков вакуумметра к данному сорту газа. В диапазоне P = 10?6 - 10-3 Toр давление рабочего газа измерялось датчиком ПМИ - 2 (СН2 = 2,18, Свозд. = 1, СAr = 0,76 [99]), а в диапазоне P = 10-3 - 10-1 Toр - датчиком ПМТ - 2 (СН2 = 0,67, Свозд. = 1, СAr = 1,56 [99]). Для смеси газов , где ki - объемные концентрации компонентов смеси, Ci - чувствительность датчика к отдельным компонентам смеси.
Для создания в рабочей камере регулируемого стационарного магнитного поля использовалась магнитная система, которая представляла собой ряд коротких катушек внутренним диаметром 15 см и толщиной 6 см. Блоки катушек юстировались соосно с вакуумной камерой. Расстояние между катушками выбиралось так, чтобы аксиальная неоднородность магнитного поля в случае однонаправленного включения катушек не превышала 2 %.
В экспериментах применялись магнитные поля с однонаправленным и с встречным включением катушек магнитного поля. Распределение аксиальной составляющей магнитного поля вдоль оси системы в обоих случаях показано на рис.2.2. Диапазон изменения напряженности магнитного поля на оси системы составлял Н = 0 - 1050 Э. Для питания магнитной системы использовался источник постоянного тока с коэффициентом пульсаций не превышающим 5 %. а)
б)
Рис.2.2. Распределение магнитного поля вдоль оси системы.
1 - система разрядных электродов; а) конфигурация с однонаправленным включением катушек магнитного поля; б) конфигурация со встречным включением катушек магнитного поля.
Система электропитания разрядных электродов включала анодный блок питания и несколько блоков УИП-1А. Система электропитания обеспечивала независимую подачу, регулировку и регистрацию на разрядных электродах постоянных токов в диапазоне от 100 мкА до 1А при подаваемом напряжении в пределах от 0 до 10 кВ. В экспериментах также применялись: универсальные многолучевые осциллографы С1-70, С1-94; панорамные анализаторы спектра СК4-58 и СК4-59; аккумуляторные источники питания диагностических зондов; измерительные головки разной чувствительности и др. оборудование.
2.1. Конструкции и параметры газоразрядных систем
1. В серии экспериментов по исследованию динамики "аномальных" электронов в пеннинговском разряде с холодными катодами использовались две конфигурации разрядных электродов, схематически показанные на рис.2.3. Первая конфигурация электродов (рис.2.3а) состояла из цилиндрического анода 3 и двух отражательных электродов, один из которых был плоским 1, а второй - цилиндрическим 2. Во второй