Методы диагностики анизотропной плазмы в термоэмиссионных приборах электроэнергетики

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.................................................................. 6
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................... 7
Глава 1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА............................................................. 32
1. Экспериментальные приборы.......................................................... 32
2. Экспериментальные установки........................................................ 43
3. Система автоматической регистрации и обработки данных на ЭВМ....................... 46
4. Метод измерения функции распределения электронов .................................. 54
5. Схема оптических измерений......................................................... 59
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1................!.......................................................... 60
Часть 1. АНИЗОТРОПНАЯ ПЛАЗМА С ОБЪЕМНОЙ ИОНИЗАЦИЕЙ
Глава 2. ЗОНДОВЫЙ МЕТОД ДИАГНОСТИКИ АНИЗОТРОПНОЙ ПЛАЗМЫ.................................... 61
1. Зондовый метод исследования низкотемпературной плазмы.............................. 61
2. Метод плоского одностороннего зонда для измерения анизотропной функции распределения электронов по скоростям........................................... 64
2.1. Методика реконструкции угловых гармоник распределения....................... 67
2.2. Погрешность зондового метода реконструкции функции распределения электронов....................................................................... 68
2.3. Восстановление полной функции распределения. Полярные диаграммы направленного движения электронов (модельный эксперимент)........................ 70
2.4. Применение плоского двустороннего и двойного зондов и определение оси симметрии в плазме............................................................... 74
3. Цилиндрический зонд в анизотропной плазме.......................................... 75
4. Сферический зонд................................................................... 76
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2................................................................... 77
Глава 3. АНИЗОТРОПНАЯ ФРЭ В ПЛАЗМЕ ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО СТОЛБА ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ГЕЛИИ........................................................... 78
1. Представление функции распределения электронов и интеграла столкновений в тазме.... 78
2. Система кинетических уравнении для электронов...................................... 79
3
3. Свойства положительного столба разряда низкого давления....................... 81
4. Расчет нелокальной функции распределения электронов.............................. 82
5. Локальная функция распределения во внешнем электрическом поле.................... 86
6. Измерение лежандровых коэффициентов распределения................................ 88
7. Дифференциальная конвективная скорость электронов................................ 92
8. Интеграл электрон-атомных столкновений в аксиально симметричной плазме........... 94
9. Измерение лежандровых компонентов интеграла столкновений......................... 96
10. Анализ роли коллективных и столкновительных взаимодействий в формировании функции распределения электронов............................................. 100
11. Энергетическая зависимость транспортного сечения электрон-атомных столкновений
и определение температуры нейтрального компоненты плазмы........................... 103
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3......................................................................... 105
Глава 4. НИЗКОВОЛЬТНЫЙ ПУЧКОВЫЙ РАЗРЯД В ИНЕРТНЫХ ГАЗАХ.................................. 106
1. Типы плазменно-пучковых разрядов. НПР - модель приэлектродной плазмы............ 106
2. Функция распределения электронов в плазме гелиевого разряда..................... 109
3. Особенности измерения ФРЭС цилиндрическими зондами............................ 111
4. Структура разряда и пространственное распределение параметров................. 113
5. Кнудссновский режим ............................................................ 115
6. Столкновительный режим.......................................................... 120
6.1. Столкновительный механизм релаксации распределения....................... 121
6.2. Решения уравнения Больцмана.............................................. 125
6.3. Анализ результатов теории столкновитсльной релаксации распределения 128 .
6.4. Роль элементарных процессов с участием метастабильных атомов гелия в формировании энергетического спектра электронов...................... 132
6.5. Пространственная релаксация распределения и сравнение с теорией........ 134
6.6. Плазменно-пучковый механизм релаксации распределения..................... 137
6.7. Условия возбуждения волн................................................. 139
6.8. Спектр ленгмюровских волн................................................ 141
6.9. Пороговый ток смены механизмов релаксации распределения.................. 144
6.10. Механизм энергетической релаксации и нагрева тепловых электронов в столк-новительной плазме............................................................ 146
7. Метод диагностики анизотропной функции распределения «удаленных» астрофизических плазменных объектов................................................... 148
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4......................................................................... 154
Часть 2. КІГУДСЕНОВСКЛЯ АНИЗОТРОПНАЯ ПЛАЗМА С ПОВЕРХНОСТНОЙ ИОНИЗАЦИЕЙ
Глава 5. МЕТОД МАГНИТНОЙ ДИАГНОСТИКИ ПРИЭЛЕКТРОДНОЙ ПЛАЗМЫ И СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ ТЕРМОКАТОДОВ............................................................
1. Идеальный кнудсеновский Сэ-Ва диод с поверхностной ионизацией - одномерная модель приэлектродной плазмы...................................................
2. Принципы магнитной диагностики кнудсеиовской анизотропной плазмы с поверхностной ионизацией ................................................................
3. Электронный ток в магнитном поле и влияние размеров приэлектродных областей.
3.1 Методика обработки экспериментальных результатов.....................
3.2 Экспериментальные данные и их анализ.................................
4. Параметры приэлектродной плазмы и эмиссионные характеристики катодов в пере-компенсированном режиме........................................................
5. Условия образования двойных слоев в лрикатодной плазме и принципы магнитной диагностики в недокомпенсированном режиме..................................................
6. Влияние реальных свойств поверхности катода на магнитные характеристики.....
7. Коэффициент отражения тепловых электронов от поверхности и эмиссионная неоднородность катодов.............................................................
8. Влияние геометрии поверхности катода на формирование функции распределения в • приэлектродной плазме :........................................................
9. Транспортное сечение рассеяния медленных электронов на атомах Се, Ва и инертных газов..........................................................................
9.1 Измерение сечения рассеяния электронов на атомах цезия...............
9.2 Метод определения отношения сечений рассеяния электронов на различных атомах...................................................................
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5......................................................................
Часті» 3. ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ПРИБОРЫ ПЛАЗМЕННОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
Глава 6. ПЛАЗМЕННЫЙ КНУДСЕНОВСКИЙ Сз-Ва ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ...........................................
1. Распределение потенциала в области перехода из перекомпенсированного режима
в недокомпенсированный.........................................................
2. Оптимизация тока ТЭП с плоским пленочным катодом............................
З.Оптимизация мощности и прсделыю-достижимые энергетические параметры киудсе-новского ТЭП с плоским катодом.................................................
5
4. Перспективы повышения энергетических характеристик кнудсеновского ТЭП за счет использования многополостного катода в газокинетическом режиме........... 235
5. Коэффициент полезного действия кнудсеновского Cs-Ba ТЭП...................... 238
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 6..................................................................... 240
Глава 7. ПЛАЗМЕННЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ Cs-Ba КЛЮЧЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ НА ВЫСОКИЕ ПЛОТНОСТИ ТОКА....................................................................... 242
1. Полное сеточное управление током сильноточной кнудсеновской дуги............. 243
2. Физические принципы перехода кнудсеновской дуги в нестационарный режим. Явление самопроизвольного обрыва тока............................................ 253
3. Оптические исследования режима самопроизвольного обрыва тока................. 258
4. Способ модуляции тока сильноточной дуги и предельно-достижимые энергетические параметры Cs-Ba ключевых элементов с полным сеточным управлением......... 263
5. Эффективность сеточного гашения в Cs-Ba ключевом элементе.................... 267
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 7.............’..............!........................................ 272
Глава 8. ПЛАЗМЕННЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ 273
1. Электрокинетические характеристики плазменного диода в режиме НПР в легких инертных газах........................................................... 273
2. Оптимизация параметров диодного плазменного стабилизатора напряжения......... 279
3. Электрокинетические параметры макетов плазменных триодов................. 281
3.1. Низковольтный пучковый разряд с сужением разрядного канала для стабилизации тока в низковольтных цепях........................ 281 .
3.2. Способ стабилизации тока и устройство для его реализации............ 284
3.3. Диафрагмснный плазменный триод для целей стабилизации напряжения 288
3.4. Сеточный плазменный триод........................................... 289
3.5. Высоковольтный плазменный триод для целей стабилизации напряжения... 290
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 8..................................................................... 295
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................................................... 297
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................... 305
6
СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
НТП - низкотемпературная плазма
НИР - низковольтный пучковый разряд
ФРЭ - функция распределения электронов
ФРЭС - функция распределения электронов по скоростям
Pj(cosO) — полиномы Лежандра, 0 - полярный угол
f - лежандровы компоненты ФРЭ (угловые гармоники распределения)
Sj- лежандровы компоненты интеграла столкновений АП - анизотропная плазма ПИ - поверхностная ионизация ОИ - объемная ионизация КД - кнудсеновская дуга
Кп - параметр (число) Кнудсена ( Kn = l0/d; /0 - длина свободного пробега электронов, d - межэлектродный зазор)
МРП - монотонное распределение потенциала
ВРП - волнистые распределения потенциала
РВК - распределение потенциала с виртуальным катодом
КДПИ - кнудсеновский диод с поверхностной ионизацией
ТЭП - термоэмиссионный преобразователь энергии
ТРП - термоэмиссионный реактор преобразователь
ТЭЛ - термоэмиссионный элемент
ВАХ - вольтамперная характеристика
ОС - отрицательное сопротивление
КПД - коэффициент полезного действия
КАС - коммутатор аналоговых сигналов
ЯП - ячейка памяти
АЦП - аналогово-цифровой преобразователь
САН - схема аналогового интегрирования
СИ - синхроимпульс
ППО - программа первичной обработки
УПО - универсальная программа обработки
Till - триггер Шмидта
ОВ - одновибратор
7
ВВЕДЕНИЕ
Приложения физики низкотемпературной плазмы представляют сегодня труднообозримую область техники. Одно из важных приложений - плазменная электроэнергетика.
Фундаментальные исследования и разработки в области плазменной электроэнергетики являются одним из важнейших направлений современной науки и техники по решению проблемы прямого преобразования энергии и имеют особое значение для народнохозяйственных, оборонных и научных целей.
Развитие космической ядерной энергетики в России в ближайшие годы будет во многом определяться исследованиями и разработками ядсрно-энсргетических установок нового поколения на основе термоэмиссионных реакторов-преобразователей (Постановление Правительства Российской Федерации N9 144 «Концепция развития космической ядерной энергетики в России» от 02.02.1998 г.).
Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме разработки методов диагностики анизотропной плазмы термоэмиссионных приборов электроэнергетики. В качестве эффективных устройств, способных работать в экстремальных условиях высокого уровня радиации и температуры среды выше 1000 К, исследованы кнуд-сеновский Сэ-Ва термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую, плазменные сильноточные Сэ-Ва управляемые ключевые элементы и плазменные стабилизаторы тока и напряжения на базе низковольтного пучкового разряда в инертных газах. В этих устройствах в зависимости от механизма ионизации плазмообразующего компонента создается кнудсеновская плазма с поверхностной ионизацией и анизотропная плазма с объемной ионизацией.
Широкое внедрение приборов плазменной электроэнергетики в промышленность все еще сдерживается рядом нерешенных физико-технических проблем, среди которых особое
8
место принадлежит приэлектродной проблеме (1,2]. Разрешение этой проблемы неразрывно связано с пониманием процессов, происходящих на электродах и в приэлектродной плазме. Малые пространственные размеры, высокие концентрации заряженных частиц, анизотропные функции распределения, сильные электрические поля и многообразие процессов делают практически невозможным использование традиционных методов для диагностики приэлектродной плазмы.
Кроме того, существует явное несоответствие между широким применением анизотропной плазмы дзя научных и прикладных целей, пониманием ее важности, с одной стороны, и сравнительно малой изученностью даже такой важнейшей ее характеристики, как функция распределения электронов, с другой. Измерению пространственных и энергетических зависимостей функций распределения посвящено большое число работ, в то время как исследованию угловых зависимостей практически не уделялось внимания, несмотря на то, что характер анизотропии электронного распределения важен для широкого круга проблем физики и техники газового разряда. Связано это, прежде всего, со значительными экспериментальными трудностями измерения анизотропных функций распределения и отсутствием надежных методов диагностики.
В связи с этим разработка и создание новых методов диагностики анизотропной плазмы и свойств поверхности катодов в необычной для эмиссионной электроники условиях, когда поверхность находится в непосредственном контакте с ионизованной плазмой, а также измерение угловой структуры анизотропных функций распределения электронов, является несомненно актуальной проблемой. При этом важно, чтобы разрабатываемые методы диагностики обеспечивали проведение исследований непосредственно в экстремальных условиях термоэмиссиоиных приборов электроэнергетики для надежной оптимизации их конструкции и энергетических характеристик.
Цель и задачи работы:
• Разработать и создать методы диагностики анизотропной плазмы, обеспечивающие одновременное определение параметров приэлектродной плазмы, эмиссионных характеристик термокатодов и исследование энергетической и угловой структуры анизотропной функции распределения электронов.
Провести экспериментальные и теоретические исследования объектов, моделирующих приэлектродную плазму: кнудсеновского диода с поверхностной ионизацией и низковольтных лучковых разрядов с объемной ионизацией.
Применить разработанные методы диагностики анизотропной плазмы для оптимизации энергетических характеристик и конструкций термоэмиссионных приборов
9
электроэнергетики: кнудсеновского термоэмиссионного преобразователя энергии с бинарным СБ-Ва наполнением, сильноточного СБ-Ва ключевого элемента с полным сеточным управлением и плазменных стабилизаторов на базе низковольтного пучкового разряда в инертных газах.
Сформулированная цель является комплексной и для ее достижения необходимо решить ряд конкретных научно-технических задач, в том числе:
• Разработать и создать надежные экспериментальные приборы и установки для комплексных исследований анизотропной плазмы.
• Разработать и создать универсальную многоканальную измерительно-вычислительную систему на базе ЭВМ и специальное программное обеспечение, для управления экспериментальными установками и приборами, автоматической регистрации и обработки данных, получаемых в импульсных и стационарных режимах.
• Разработать и создать магнитный метод диагностики анизотропной плазмы с поверхностной ионизацией.
• Обосновать выбор объекта, моделирующего приэлектродную плазму с поверхностной ионизацией, и провести системные исследования параметров анизотропной плазмы и реальных катодов.
• Разработать и создать зопдовый метод диагностики анизотропной функции распределения электронов, обеспечивающий новые возможности исследования плазмы.
• Провести апробацию разработанного метода в плазме положительного столба тлеющего разряда низкого давления в гелии и проиллюстрировать его новые возможности.
• Обосновать выбор объекта, моделирующего приэлектродную плазму с объемной ионизацией, и провести теоретические и экспериментальные исследования анизотропной плазмы низковольтного пучкового разряда в инертных газах.
• Исследовать электрокинетические характеристики плазмы Ся-Ва ТЭП с плоским и развитыми катодами в режиме с поверхностной ионизацией.
• Измерить электрокинетические параметры плазменного Сэ-Ва ключевого элемента с управляющим электродом в виде тонкой мелкоструктурной сетки.
• Исследовать новые способы стабилизации тока и напряжения и создать конструкции приборов для реализации плазменных стабилизаторов на базе низковольтного пучкового разряда в инертных газах.
Необходимость создания эффективных термоэмиссионных приборов электроэнергетики и оптимизации их энергетических характеристик стимулировали разработку
10
новых методов диагностики анизотропной плазмы непосредственно в условиях плазменных устройств. Этим и обусловлена постановка перечисленного комплекса задач в данной работе.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Надежные термоэмиссионные приборы (разработанные и созданные конструкции киуд-сеновского Сэ-Ва ТЭП, плазменного СБ-Ва ключевого элемента с полным сеточным управлением, плазменных стабилизаторов тока и напряжения) и установки для комплексных исследований анизотропной плазмы, а также методики и технологии, обеспечивающие стабильную работу высокотемпературных приборов в агрессивных средах и требуемую точность измерений.
2. Универсальная многоканальная измерительно-вычислительная система на базе ЭВМ и специальное программное обеспечение, позволяющие осуществлять управление экспериментальными установками и приборами с персонального компьютера, автоматически регистрировать электрокинстическис характеристики, получаемые в импульсных и стационарных режимах, а также проводить в реальном масштабе времени комплексную обработку полученных результатов программными средствами.
3. Новый универсальный метод магнитной диагностики анизотропной плазмы с поверхностной ионизацией, сочетающий в себе преимущества изучения параметров приэлектрод-ной плазмы с возможностью одновременной диагностики эмиссионных характеристик поверхности электрода, находящегося в контакте с ионизованной плазмой.
4. Одномерная модель приэлектродной плазмы с поверхностной ионизацией и результаты систематических исследований параметров анизотропной плазмы и эмиссионных характеристик катодных материалов:
> степень компенсации в широком диапазоне изменения параметра Киудсена, характер пространственного распределения потенциала и концентрации, напряженность электрического поля в приэлектродной плазме и скорость электронов,
> электронный и ионный токи эмиссии моно и поликристаллических вольфрамовых катодов, эмиссионная неоднородность реальных катодов в парах цезия и бария и эффективный коэффициент отражения медленных электронов от поверхности. Обоснование того, что эмиссионная неоднородность поверхности катода приводит к увеличению эффективного коэффициента отражения. Коэффициенты отражения непосредственно от поверхности и от потенциального барьера микрополей пятен,
> условия образования двойных потенциальных слоев в прикатодной плазме; немонотонный характер зависимости тока и скорости электронов от степени компснса-
11
ции, доказывающие отсутствие заполнения потенциальной ямы ионами и распределение потенциала с виртуальным катодом в недокомпенсированном режиме, параметры приэлек-тродной плазмы.
е> Новый метод измерения транспортного сечения рассеяния медленных электронов с энергией (0,1-1) эВ на атомах в условиях ТЭП, сечения рассеяния электронов на атомах цезия, бария и инертных газов. Метод измерения отношения сечений рассеяния на атомах различных элементов.
5. Зондовый метод диагностики функции распределения электронов в плохие с произвольной степенью анизотропии (защищен авторским свидетельством), позволяющий получать нетрадиционную информацию об энергетических и угловых зависимостях гармоник распределения.
> Результаты математического анализа метода для зондов разной геометрии в отсутствии априорной информации о степени анизотропии, оптимальная методика реконструкции угловых гармоник распределения,
> результаты численного модельного эксперимента с пучком электронов в максвелловской плазме, доказывающие возможность восстановления полной функции распределения электронов при проведении измерений для ограниченного числа угловых ориентаций зонда в плазме, полярной диаграммы направленного движения электронов в плазме, анализ влияния степени анизотропии распределения на вид второй производной зондового тока по потенциалу зонда,
> результаты исследования точности метода и его устойчивости по отношению к погрешностям эксперимента.
6. Результаты апробации разработанного зондового метода в плазме положительного столба тлеющего разряда низкого давления в гелии:
> энергетические зависимости угловых гармоник функции распределения электронов /о- Д обоснование доминирующей роли лишь первой угловой гармоники распределения /; и общепринятого в теории двучленного разложения функции распределения в слабо анизотропной плазме,
> определенная с помощью// дрейфовая скорость электронов разных энергий в плазме,
> энергетические зависимости интегралов электрон - атомных столкновений 5/, позволяющие раздельно изучать сечения процессов, протекающих в плазме с участием электронов,
12
> новый метод (защищен авторским свидетельством) определения транспортного сечения упругого рассеяния электронов на атомах гелия и локальной концентрации (температуры) нейтральной компоненты плазмы,
> результаты анализа роли механизмов коллективного и столкновительного взаимодействий в формировании функции распределения электронов.
7. Модель приэлектродной плазмы с объемной ионизацией и результаты теоретического и экспериментального исследования плазмы низковольтного пучкового разряда в легких инертных газах:
> анизотропная функция распределения электронов и энергетические зависимости угловых гармоник /о-существенные признаки, отличающие низковольтный пучковый разряд в инертных газах от хорошо изученных низковольтных разрядов, доказательство доминирующей роли быстрых электронов в процессах возбуждения, ионизации и токо-переноса,
> пространственное распределение параметров плазмы, полярные диаграммы направленного движения электронов разных энергий и полная функция распределения электронов в анизотропной плазме.
8. Результаты исследований процессов релаксации анизотропии функции распределения электронов в широком диапазоне изменения параметра Кнудсена:
> обнаруженная в кнудсеновском режиме релаксация функции распределения по направлениям импульса за счет рассеяния на плазменных колебаниях, генерируемых пучком, и оценка сечения этого процесса,
> эмпирический критерий пороговой энергетической резаксации анизотропной функции распределения на волнах и доказательство доминирующей роли плазменнопучкового механизма, если разрядный промежуток превышает пять длин волн ленгмю-ровских колебаний, генерируемых пучком, способ управления пучковой неустойчивостью в бссстолкиовительном режиме путем изменения геометрии боковой границы разряда
' (защищен авторским свидетельством),
> в столкновителъном режиме результаты теоретических исследований и экспериментального измерения энергетической релаксации ашбо анизотропного пучка электронов путем возбуждения и поезедующего столкновительного затухания ленгмюров-ских волн, возбуждаемых пучком,
> доказательство порогового характера релаксации на волнах, теоретические выражения и измеренные значения порогового тока смены механизмов резаксации и критичс-
13
ского тока, при котором происходит переход от нагрева тепловых электронов за счет парных е-е столкновений к нагреву за счет столкновительного затухания волн,
> результаты анализа влияния упругих и неупругих процессов на формирование энергетического спектра быстрых электронов, измеренные функции распределения ранее не ис-следованных спектральных групп электронов и новый метод определения концентрации метастабильных атомов гелия,
> новый метод (защищен авторским свидетельством) исследования параметров анизотропной плазмы удаленных астрофизических объектов и результаты модельного эксперимента по измерению угловых гармоник распределения и анизотропии электронного давления.
9. Результаты экспериментальных и теоретических исследований плазмы Сз-Ва ТЭП в режиме с поверхностной ионизацией:
> параметры анизотропной плазмы и результаты доказывающие, что использование паров Ва с одной стороны повышает работу выхода анода и оптимальную температуру, а с другой снижает требования к материалу катода и позволяет, изменяя в широких пределах его работу выхода оптимизировать электронный ток. Метод обобщенной вольтамперной характеристики и результаты оптимизации мощности ТЭП с плоским катодом,
> полученные предельно достижимые параметры: электрическая мощность 27 вт/см2 и КПД 23% при Гк=2270К, </ = 0,1 мм. Результаты сравнительного анализа реального КПД ТЭП в режиме с поверхностной ионизацией и в дуговом режиме.
10. Результаты улучшения энергетических характеристик кнудсеновского ТЭП за счет различных геометрий развития поверхности катодов:
} разработанный новый метод исследования анизотропии энергетического рас-предаения электронов в полостях развитого катода с помощью поперечного магнитного поля и специально ориентированных зондов, измеренная в перекомпснсированном режиме сильно анизотропная функция распределения электронов в полостях, связанная с большой направленной скоростью электронов вдоль стенок полости,
> предложенная модель, объясняющая механизм формирования тока в полостях, .обоснование существенной роли взаимодействия электронов с приэлсктродным потенциальным барьером сложной структуры, образующимся вблизи неоднородного по работе выхода электрода,
> анализ механизмов формирования тока в полостях в зависимости от работы выхода катода и обоснование того, что многополостные катоды всегда дают выигрыш в электронном токе и мощности в перекомпснсированном режиме, при этом перспективным для прак-
14
тического применения является слабая чувствительность предельных параметров таких ТЭП к работе выхода катода.
11. Результаты исследования электрокинетических параметров плазмы полностью управляемого плазменного Св-Ва ключевого элемента с тонкой мелкоструктурной сеткой в качестве управляющего электрода, при этом в стационарном режиме кнудсе-новской дуги:
> обоснование того, что бинарный Ся-Ва наполнитель полностью решает проблему катода при низком давлении цезия и упрощает решение проблемы материала сетки,
> полученные высокая электропрочность триода в диапазоне давлений паров цезия КГ* - 10‘2 тор и малые потери напряжения в открытом состоянии 0,8-2,5 В, параметры модуляции - мощность 1,8 кВт/см2 и КПД более 95%.
12. Обнаруженное явление самопроизвольного обрыва тока и новый эффективный способ модуляции тока (защищен авторским свидетельством), при этом впервые:
> результаты исследований физических процессов перехода кнудсеновской дуги в нестационарный режим, обнаруженные нелинейные колебания в плазме, предшествующие самопроизвольному обрыву тока и измеренная большая длительность импульса надкритического тока, обусловленная десорбцией атомов цезия с поверхностей анода и сетки,
> результаты оптических исследований нестационарных процессов в режиме самопроизвольного обрыва тока и анализ влияния колебательных процессов на эффективность сеточного гашения при ограничении ионизации из-за нехватки атомов,
> результаты исследований эффективности сеточного гашения и установление того, что увеличение амплитуды колебаний с ростом плотности тока приводит к существенному уменьшению амплитуды гасящего сеточного импульса и, следовательно, к снижению затрат на управление током,
> предельные параметры модуляции в нестационарном режиме: при анодном напряжении 50 В, на частотах 1-10 кГц устойчиво модулируемая удельная электрическая мощность 4 кВт/см2 с КПД более 95 %.
13. Результаты исследований электрокинетических характеристик плазмы низковольтного пучкового разряда с сужением разрядного канала, анализа механизмов токопе-реноса и условий возникновения двойного слоя.
> новый способ стабилизации тока и параметров плазмы и устройство для его реализации (защищен авторским свидетельством),
15
> новые способы и устройства для стабилизации напряжения и управления электронным током в анизотропной плазме (защищены двумя авторскими свидетельствами).
Объсюгом исследования являлась анизотропная приэлектродная плазма термоэмиссионных приборов электроэнергетики.
Сформулирован новый методический подход к исследованию приэлектродной плазмы - принцип моделирования физических явлений, включающий создание модельного объекта, измерение параметров анизотропной плазмы, построение самосогласованных теоретических моделей и сравнение результатов теории с экспериментом. Моделируются анизотропные плазмы двух типов: кнудсеновская плазма с поверхностной ионизацией и пучковая разрядная плазма с объемной ионизацией.
Поясним принцип моделирования на примере анизотропной плазмы с поверхностной ионизацией. Плазма создается в условиях кнудсеновского цезий - бариевого диода с поверхностной ионизацией. Ионы рождаются за счет поверхностной ионизации атомов цезия, поступающих из межэлектродного промежутка; электроны - за счет термоэлектронной эмиссии. Анод, поглощающий заряженные частицы, располагается параллельно катоду на расстоянии, меньшем характерного размера электродов и длины свободного пробега электронов. Силы, действующие на заряженные частицы в плазме, обусловлены самосогласованным электрическим полем. Изменением давления паров бария достигается плавное управление величиной работы выхода катода, что позволяет в широких пределах варьировать концентрации заряженных частиц, напряженность электрического поля в прикатодном слое, направленную скорость электронов в плазме, исследовать условия возникновения двойных’ слоев в прикатодной плазме и их влияние на кинетику процессов токопереноса. Это делает КДПИ хорошей одномерной моделью приэлектродной анизотропной плазмы.
Бинарная цезий - бариевая плазменная среда в безразрядном режиме применена для создания кнудсеновского ТЭП, а в режиме клудсеновской дуги - для разработки и исследования стационарных и импульсных сильноточных плазменных ключевых элементов.
Моделирование приэлектродных процессов в анизотропной плазме с объемной ионизацией и исследование динамики релаксации интенсивного моноэнсргстичного
я
пучка электронов проводилось в плазме низковольтного пучкового разряда в легких инертных газах.
Анизотропная плазма исследована непосредственно в рабочих условиях приборов электроэнергетики. Исследованы функции распределения электронов, параметры плазмы цезия, бария и легких инертных газов и основные закономерности процессов в приэлекгрод-
16
ной плазме. Выработаны рекомендации для практического использования результатов исследований.
Научная новизна и значимость работы заключаются в разработке и создании комплекса новых методов и средств (автоматизированных экспериментальных установок, высокотемпературных плазменных приборов и специального математического обеспечения) для проведения фундаментальных исследований приэлектродной анизотропной плазмы.
Теория и эксперимент, как правило, взаимно дополняют друг друга, поэтому наиболее важные результаты получены как теоретически, так и экспериментально:
• Разработаны и созданы надежные термоэмиссионные приборы (макеты кнудсе-новского Сб-Вэ ТЭП, плазменного Св-Ва ключевого элемента с полным сеточным управлением, плазменных стабилизаторов тока и напряжения) и установки для комплексных исследований анизотропной плазмы, а также методики и технологии, обеспечивающие стабильную работу высокотемпературных приборов в агрессивных средах и требуемую точность измерений.
• Разработана и создана универсальная многоканальная измерительно-вычислительная система на базе ЭВМ и специальное программное обеспечение, позволяющие осуществлять управление экспериментальными установками и приборами с персонального компьютера, автоматически регистрировать элсктрокинстические характеристики, получаемые в импульсных и стационарных режимах, а также проводить комплексную обработку полученных результатов программными средствами в реальном масштабе времени. Применение цифровой регистрации данных расширило возможности комплексного анализа, увеличило информативность и чувствительность методов диагностики, повысило достоверность результатов исследований.
• Разработан и создан новый универсальный метод магнитной диагностики анизотропной плазмы с поверхностной ионизацией, сочетающий в себе преимущества изучения приэлектродной плазмы с возможностью одновременной диагностики эмиссионных характеристик поверхности, находящейся в контакте с сильно ионизованной плазмой.
• Создана одномерная модель приэлектродной плазмы с поверхностной ионизацией и проведены систематические исследования параметров анизотропной плазмы и эмиссионных характеристик катодных материалов. Впервые в плазме кнудсеновского диода с поверхностной ионизацией одновременно измерены:
17
> степень компенсации в широком диапазоне изменения параметра Кнудсс-на, характер пространственного распределения потенциала, концентрации и напряженность электрического поля в ириэлсктродной плазме, скорость электронов в плазме,
> электронный и ионный токи эмиссии моно и поликристалличсских вольфрамовых катодов, эмиссионная неоднородность реальных катодов в парах цезия и бария и эффективный коэффициент отражения медленных электронов от поверхности. Показано, что эмиссионная неоднородность поверхности катода приводит к увеличению эффективного коэффициента отражения. Коэффициенты отражения непосредственно от поверхности и от потенциального барьера микрополей пятен,
о условия образования двойных потенциальных слоев в прикатодной плазме; немонотонный характер зависимости тока и скорости электронов от степени компенсации, доказывающие отсутствие заполнения потенциальной ямы ионами и обосновывающие распределение потенциала с виртуальным катодом в недокомпенсированном режиме, параметры приэлектродной плазмы.
> Разработан новый метод измерения транспортного сечения рассеяния медленных электронов с энергией (0,1 - 1) эВ на атомах в условиях ТЭП, измерены сечения рассеяния на атомах цезия, бария и инертных газов.
• Впервые разработан зондовый метод диагностики функции распределения электронов в плазме с произвольной степенью анизотропии, позволяющий получать нетрадиционную информацию об энергетических и угловых зависимостях гармоник распределения.
> Выполнен математический анализ применения зондов разной геометрии для диагностики анизотропной плазмы в отсутствии априорной информации о степени анизотропии, разработана оптимальная методика реконструкции угловых гармоник распределения,
> проведен численный модельный эксперимент с пучком электронов в плазме и показана возможность восстановления полной функции распределения электронов, полярной диаграммы направленного движения электронов в плазме, исследовано влияние степени анизотропии распределения на вид второй производной зондового тока по потенциалу зонда,
> проведены исследования точности метода и его устойчивости по отношению к погрешности эксперимента Обоснована высокая точность результатов при проведении измерений для ограниченного числа ориентаций зонда в плазме.
18
• Разработанный зондовый метод апробирован в плазме положительного
столба тлеющего разряда низкого давления в гелии, при этом впервые:
> измерены энергетические зависимости угловых гармоник функции распределения электронов fo- fs, установлена доминирующая роль лишь первой угловой гармоники распределения // и экспериментально обосновано общепринятое двучленное разложение функции распределения в слабо анизотропной плазме,
> определена с помощью// дрейфовая скорость электронов разных энергий,
> измерены интегралы электрон - атомных столкновений Sj, позволяющие раздельно изучать сечения процессов, протекающих в плазме с участием электронов,
> разработан новый метод определения транспортного сечения упругого рассеяния электронов на атомах гелия и локальной концентрации (температуры) нейтральной компоненты плазмы,
> проведен сравнительный анализ роли механизмов коллективного и столкловитель-ного взаимодействий в формировании функции распределения электронов.
• Обоснован выбор объекта, моделирующего приэлектродную плазму с объемной ионизацией, и проведены теоретические и экспериментальные исследования анизотропной плазмы низковольтного пучкового разряда в инертных газах, при этом впервые:
> измерены энергетические зависимости угловых гармоник /о - /в, установлены существенные признаки, отличающие низковольтный пучковый разряд в инертных газах от хорошо изученных низковольтных разрядов, показана доминирующая роль быстрых электронов в процессах возбуждения, ионизации и токопереноса,
> измерено пространственное распределение параметров плазмы, построены полярные диаграммы направленного движения электронов разных энергий и восстановлена полная функция распределения электронов в анизотропной плазме.
• Исследованы механизмы релаксации анизотропии функции распределения электронов в широком диапазоне изменения параметра Кнудсена:
> в киудссновском режиме обнаружена релаксация распределения по направлениям
л
импульса за счет рассеяния па плазменных колебаниях, генерируемых пучком, и выполнена оценка сечения этого процесса,
> получен эмпирический критерий пороговой энергетической релаксации анизотропной функции распределения на волнах; показано, что в широком диапазоне условий плазменно-пучковый механизм доминирует, если разрядный промежуток превышает
19
пять длин волн ленгмюровских колебаний, генерируемых пучком; предложен способ управления пучковой неустойчивостью в бесстолкновительном режиме путем изменения геометрии боковой границы разряда (использован при создании плазменных стабилизаторов),
> в сголкновителыюм режиме теоретически обоснована и экспериментально измерена энергетическая релаксация слабо анизотропного пучка электронов путем возбуждения и последующего столкло витального затухания ленгмюровских волн, возбуждаемых пучком,
г> показано, что релаксация на волнах имеет пороговый характер, получены выражения и измерены значения порогового тока, при котором происходит смена механизмов релаксации и критического тока, при котором происходит переход от нагрева тепловых электронов за счет парных е-е столкновений к нагреву за счет столкновительного затухания волн,
> проанализировано влияние упругих и нсупругих процессов на формирование энергетического спектра быстрых электронов, измерены пространственные и энергетические распредезения ранее не исезедовапных спектральных групп электронов, предложен метод определения концентрации метастабильных атомов гелия,
> разработан новый метод исследования параметров анизотропной плазмы удаленных астрофизических объектов, в модельном объекте измерены угловые гармоники распределения и анизотропия электронного давления.
• Экспериментально и теоретически исследованы электрокинетические параметры плазмы Св-Ва ТЭП в режиме с поверхностной ионизацией:
> показано, что использование паров Ва с одной стороны повышает работу выхода анода и оптимальную температуру, а с другой снижает требования к материалу катода и позволяет, изменяя в широких пределах его работу выхода, оптимизировать электронный ток, построена обобщенная вольтамперная характеристика и выполнена оптимизация мощности ТЭП с плоским катодом,
> получены предельно достижимые параметры, так для Гк = 2270 К: (I= 0,1 мм,
• элеюрическая мощность 27 Вт/см2, КПД 23 %, а для с! = 1 мм, электрическая мощность 15 Вт/см2 и КПД 18 %; обосновывается целесообразность создания Сэ-Ва ТЭП в связи с его высоким реальным КПД, близким к КПД Карно. Полученное в режиме с поверхностной ионизацией отношение л^н/Лкарю =0*6 значительно превышает аналогичное в дуговом режиме.
20
• Исследована возможность повышения энергетических характеристик кнудсе-новского ТЭП за счет различных геометрий развития поверхности катода, при этом впервые:
} разработан новый метод исследования анизотропии распределения электронов в полостях развитого катода с помощью поперечного магнитного поля и специально ориентированных зондов, установлено, что в перекомпснсированном режиме распределение электронов в полостях сильно анизотропно, причем электроны приобретают большую направленную скорость вдоль стенок полости,
> предложена модель, объясняющая механизм формирования тока в полостях. Показано, что существенную роль играет взаимодействие электронов с приэлектродным потенциальным барьером сложной структуры, образующимся вблизи неоднородного по работе выхода электрода,
> проанализированы механизмы формирования тока в полостях в зависимости от работы выхода катода, показано, что многополостные катоды всегда дают выигрыш в электронном токе и мощности в перекомпснсированном режиме. Перспективным для практического применения является слабая чувствительность предельных параметров таких ТЭП к работе выхода катода.
• Исследованы электрокинетические параметры плазмы полностью управляемо-го плазменного Св-Ва ключевого элемента с тонкой мелкоструктурной сеткой в качестве управляющего электрода. В стационарном режиме кнудсеновской дуги:
> показано, что использование бинарного Ся-Ва наполнителя полностью решает проблему катода при низком давлении цезия и упрощает решение проблемы материала сетки,
> получены высокая электропрочность триода в диапазоне давлений паров цезия 10"4 - 10'2 тор, малые потери напряжения в открытом состоянии 0,8-2,5 В, устойчиво-модули-руемая мощность 1,8 кВт/см2 и КПД более 95 %.
• • Обнаружено явление самопроизвольного обрыва тока и предложен новый эффективный способ модуляции тока, при этом впервые:
> исследованы физические процессы перехода кнудсеновской дуги в нестационарный режим, показано, что самопроизвольному обрыву тока всегда предшествует развитие нелинейных колебаний в плазме, обоснована большая длительность импульса надкритического тока, связанная с десорбцией атомов цезия с поверхностей анода и сетки,
21
> выполнены оптические исследования нестационарных процессов в режиме самопроизвольного обрыва тока и обнаружено существенное влияние колебательных процессов на эффективность сеточного гашения при ограничении ионизации из-за нехватки атомов,
> исследована эффективность сеточного гашения и показано, что увеличение амплитуды колебаний с ростом плотности тока приводит к существенному уменьшению амплитуды гасящего сеточного импульса и, следовательно, к снижению затрат на управление током,
> показано, что плазменный Сэ-Ва ключевой элемент в нестационарном режиме перспективен не только с точки зрения эффективности управления, но и с точки зрения предельных параметров. При анодном напряжении 50 В получена устойчивая модуляция на частотах 1-10 кГц удельной электрической мощности 4 кВт/см2 и КПД более 95 %.
• Обнаружен ряд явлений, связанных с процессами токопереноса в анизотропной плазме низковольтного пучкового разряда в легких инертных газах с сужением разрядного канала, реализованы новые способы и устройства для стабилизации и управления напряжением и электронным током.
Результаты работы позволяют классифицировать их в целом как научное достижение в разработке новых методов диагностики и развитии представлений о процессах в анизотропной плазме.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что в ней изложены научно обоснованные технические решения методов диагностики анизотропной плазмы и ее применения в термоэмиссионных приборах электроэнергетики, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие наукоемких технологий, экономики и обороноспособности страны.
• Разработанные методы диагностики анизотропной плазмы и принцип моделирования открывают новые возможности для:
> создания новых приборов плазменной электроэнергетики, исследования их элек-трокинетичсских характеристик, измерения анизотропии распределения электронов и совместного изучения процессов на поверхности электродов и в приэлектродной плазме,
> исследования низкотемпературной плазмы с пучками заряженных частиц,
> дальнейшего совершенствования методов диагностики анизотропной плазмы, повышения их точности и надежности.
22
• Данные об энергетической зависимости интегралов электрон - атомных столкновений открывают возможности раздельного изучения физических процессов, протекающих в плазме с участием электронов одновременно, получения информации о сечениях этих процессов и о конкурентной роли парных и коллективных взаимодействий в формировании распределения электронов.
• Основные закономерности релаксации анизотропии распределения электронов могут бьггь использованы для изучения при электродных явлений в плазме высоковольтных пучковых разрядов, СВЧ разрядов, низковольтных разрядов в парах щелочных и щелочноземельных металлов, плазме послесвечения, а также для разработки и создания новых плазменных источников и нелинейной теории турбулентной плазмы.
• Одновременное применение разработанного зондового метода и метода поляриза- *. ционной спектроскопии открывает возможности неконтактных исследований анизотропной плазмы удаленных астрофизических плазменных объектов.
• Результаты исследований кинетических характеристик приэлектродной плазмы приборов электроэнергетики позволяют осуществлять рациональный выбор конструкций, режимов работы, а также оптимизировать их энергетические параметры и эффективность.
• Предложенный вариант конструкции цезий - бариевого ТЭП с многополостным пленочным катодом обеспечивает, наряду с увеличением электрической мощности, слабую зависимость максимальной мощности от работы выхода катода. Это делает перспективным его практическое применение в киудсеновском или в переходном к столкновителыюму режимах и позволяет снизить рабочую температуру катода.
• Результаты исследований явления самопроизвольного обрыва тока кнудсеновской цезий - бариевой дуги позволили создать принципиально новый способ модуляции тока и эффективный сильноточный управляемый ключевой элемент, коммутирующий в диапазоне частот 1-10 кГц плотность электрической мощности 4 квт/см2 с КПД 95%.
Созданные методы диагностики и выполненные исследования анизотропной плазмы, вносят вклад не только в развитие новых приборов и методов экспериментальной физики, но и в развитое новых направлений в плазменной электронике и физике плазмы.
Результаты работы могут быть использованы исследователями физики плазмы и разработчиками плазменных энергетических установок, способных работать при высоком уровне радиации и температуре среды выше 1000 К.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации экспериментальные методы исследований анизотропной плазмы внедрены в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН (подтверждено актом внедрения) и реализованы при выполнении государственных и акаде-
23
мических программ: «Физическая кинетика разреженной низкотемпературной плазмы», «Приэлектродные процессы в низкотемпературной плазме», «Теоретические и экспериментальные исследования фундаментальных проблем физики термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую», а также НИР ЛГИ им. Г.В. Плеханова, в которых автор выступал в качестве научного руководителя: «Исследования плазмы низковольтных пучковых разрядов в инертных газах с целью создания приборов высокотемпературной плазменной электроники» (№ 50/81 и № 78/86; 1981-1990 гг.), проводимых совместно с ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, «Фундаментальные и прикладные исследования электрических, оптических и тепловых явлений в плазме» (1991 - 2001 гг.) и «Фундаментальные исследования анизотропной плазмы с целью создания радиационностойкой электроники для решения проблем охраны окружающей среды» (7Т §53; 2000-2002 гг.), финансируемых Федеральным Фондом Министерства образования.
Достоверность и обоснованность результатов. Основные результаты диссертации являются новыми, защищены 6 авторскими свидетельствами и были впервые получены в работах автора. Они широко опубликованы в научной печати и хорошо известны специалистам в области физики низкотемпературной плазмы, термоэмиссионного преобразования, плазменной электроники и смежных областей: 58 статей в отечественных академических изданиях и международных физических журналах, 46 докладов в сборниках трудов отечественных и международных конференций. Результаты диссертации вошли в современную Энциклопедию низкотемпературной плазмы I под редакцией академика В.Е. Фортова /. М.: Наука, 2000, т.2, т.4.
Достоверность результатов обеспечена системностью проведенных исследований, в ходе которых основные параметры анизотропной плазмы и электрокинетическис характеристики термоэмиссионных приборов электроэнергетики получены как теоретически, так и экспериментально. Проведен тщательный научный анализ данных и продемонстрировано как качественное, так и количественное соответствие эксперимента и теории.
Измерения проведены с применением разработанных методов диагностики и современной системы цифровой многоканальной регистрации, основанной на принципах стробируемого интегрирования. Получено хорошее совпадение результатов с данными контрольных экспериментов на различных установках и других авторов (в случаях, когда это сравнение было возможным).
24
Выполнен анализ разработанных методов на модельных задачах, исследована их точность и устойчивость по отношению к возможным источникам погрешностей измерений и расчетов.
Апробация работы. В диссертации обобщены результаты научных исследований автора за последние 30 лет, которые в различное время были доложены в виде секционных и обзорных докладов
на Всероссийских конференциях по:
• эмиссионной электронике (Ташкент, 1970; Ленинград, 1979),
• физике низкотемпературной плазмы (Киев, 1975; Киев, 1979; Ленинград, 1983; Ташкент, 1987; Минск, 1991),
• физике электронных и атомных столкновений (Рига, 1984),
• термоэмиссионному преобразованию тепловой энергии в электрическую (Алма-Ата, 1972; Обнинск, 1979; Обнинск, 1984),
• генераторам низкотемпературной плазмы (Фрунзе, 1983)
• фундаментальным исследованиям в технических университетах (Санкт-Петербург, 2003)
на Всероссийских симпозиумах по:
• плазмохимии (Днепропетровск, 1984),
• процессам ионизации с участием возбужденных атомов ( Ленинград, 1988 -1990),
• повышению эффективности производства, преобразованию и потреблению
электроэнергии в народном хозяйстве (Алма-Ата, 1986);
• молекулярным процессам и ионной диагностике химически активной плазмы (Ташкент, 1985);
• элементарным процессам и диагностике низкотемпературной плазмы (Киев, 1986);
на Сессиях секций Советов РАН по проблемам:
• «Физика низкотемпературной плазмы», «Физика электронных и атомных столкновений» (Ленинград, 1986-1990),
• «Приэлектродные явления в низкотемпературной плазме» (Ленинград, 1986-1989;
Киев, 1990),
на Международных конференциях по ;
25
• явлениям в ионизованных газах (Бухарест, Румыния, 1969; Прага, Чехословакия,
1973; Гренобль, Франция, 1979; Будапешт, Венгрия, 1985; Свалсеа, Англия, 1987; Белград, Югославия, 1989; Пиза, Италия, 1991),
• термоэмиссионному преобразованию тепловой энергии в электрическую (Юлих, ФРГ, 1972; Эйндховен, Голландия, 1975),
• атомным столкновениям (Гетебург, США, 1989);
• атомной и молекулярной физике в ионизованных газах (Лиссабон, Португалия,
1988; Орлеан, Франция, 1990; Санкт - Петербург, Россия, 1992; Нордвик, Голландия, 1994);
• физике электронных и атомных столкновений (Нью-Йорк, США, 1989; Брисбан, Австралия, 1991);
• атомной физике (Токио, Япония, 1986; Париж, Франция, 1988; Колорадо, США, 1994);
• спектроскопии (София, Болгария, 1986); па Международных симпозиумах
по плазмохимии (Токио, Япония, 1987; Бари, Италия, 1989; Иупюшио, Италия,
1990).
Достижения автора в разработке методов диагностики анизотропных функций распределения электронов в плазме отмечены в обзорном докладе па Международной Научной Сессии Н/1ТО « Электронная кинетика и прикладные аспекты газоразрядной плазмы », Санкт - Петербург, 1997 г.
Личный вклад автора в получении результатов, изложенных в диссертации, со^ стоит в формировании нового научного направления исследований анизотропной плазмы в термоэмиссионных приборах электроэнергетики, в постановке проблем и решении задач, разработке и создании новых методов диагностики анизотропной плазмы. Автор непосредственно создавал программы исследований, участвовал в проведении экспериментов и расчетов, анализе и интерпретации результатов, в разработке и создании конструкций и испытаниях макетов кнудссновского СБ-Ва ТЭП, плазменного СБ-Ва ключевого элемента с полным сеточным управлением, плазменных стабилизаторов тока и напряжения.
«
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из трех частей, содержащих введение, восемь глав и заключение. Ее общий объем составляет 323 стр., включая 203 рис., 14 табл. и список цитируемой литературы, состоящий из 296 найм.
26
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, а также указаны научная новизна, практическая значимость и достоверность результатов, защищаемые результаты и положения, личный вклад автора и апробация работы.
В первой главе кратко описаны экспериментальные приборы, установки, техника измерений, принципы зондовой диагностики функции распределения электронов и параметров низкотемпературной плазмы.
Первая часть включает три подраздела, в которых представлены метод и результаты исследования анизотропной плазмы с объемной ионизацией плазмообразующего компонента.
Вторая глава посвящена разработке метода зондовой диагностики плазмы с произвольной степенью анизотропии. Рассмотрен математический аппарат метода. Решено интегральное уравнение, связывающее ФРЭ пучка со второй производной зондового тока по потенциалу зонда. Разработана оптимальная методика реконструкции лежандровых компонент распределения. Работоспособность метода продемонстрирована в численном модельном эксперименте. Исследовано влияние степени анизотропии распределения электронов на вид второй производной зондового тока по потенциалу зонда. Применен метод полярных диаграмм для исследования направленного движения электронов в плазме. Проиллюстрирована возможность метода при восстановлении полной функции распределения. Анализируются методические особенности измерения анизотропных распределений зондами различных геометрий. Проанализирована погрешность метода и устойчивость результатов по отношению к ошибкам экспериментальных измерений.
В третьей главе проведена апробация зондового метода исследования анизотропной плазмы и иллюстрация его новых возможностей в положительном столбе тлеющего разряда низкого давления в гелии. Измерены энергетические зависимости лежандровых компонентов ФРЭ /р и выполнен анализ точности измерений. Проиллюстрированы новые возможности зондового метода в определении не только скорости дрейфа электронов и их подвижности, но и в определении конвективной скорости электронов с определенной энергией в плазме. Показано, что с помощью уравнения Больцмана и измеренных лежандровых компонентов распределения £ можно определять энергетические зависимости лежандровых компонентов интеграла столкновений .5) и, тем самым, раздельно изучать процессы, одновременно протекающие в плазме с участием электронов. Измерения интегралов столкновений в плазме положительного столба гелиевого разряда позволили оценить роль коллективных и столкнови-тельных взаимодействий в формировании ФРЭ. Разработан метод и определена энергетическая зависимость транспортного сечения упругого рассеяния электронов на атомах гелия.
27
Получено хорошее совпадение с наиболее достоверными современными данными. Для газов с известным транспортным сечением предложен метод определения локальной концентрации атомов в основном состоянии. Показано, что если концентрация нейтральной компоненты измерена независимым способом, то из зондовых измерений определяется локальная температура атомов. •
В четвертой главе в качестве модели анизотропной приэлектродной плазмы с объемной ионизацией исследуется низковольтный пучковый разряд в гелии. Представлены экспериментальные и теоретические результаты исследования киудсеновского и столкнови-тельного режимов. Измерена анизотропная функция распределения и пространственное распределение параметров плазмы. Особое внимание уделено исследованию процессов релаксации плотного моноэнергетичного пучка электронов по импульсам и но энергии.
В кнудсеновском режиме впервые обнаружено явление релаксации ФРЭ по направлению импульса за счет механизма электрон-плазмонного взаимодействия. Оценено сечение этого процесса. Получен эмпирический критерий пороговой энергетической релаксации ФРЭ на волнах.
В столкновительном режиме впервые измерена релаксация слабоанизотропного пучка электронов путем возбуждения лснгмюровских воли. Получено выражение для порогового тока, при котором происходит переход от релаксации на парных соударениях к релаксации путем возбуждения волн. Проведено детальное сравнение эксперимента с теорией. Показано, что нагрев тепловых электронов плазмы в столкновительном режиме может происходить за счет столкновительного затухания ленгмюровских волн, возбуждаемых пучком. Определен критический ток смены механизмов нагрева - перехода от нагрева за счет электрон-электронных столкновений к нагреву за счет столкновительного затухания волн.
Рассмотрено влияние упругих и неупругих процессов на формирование энергетического спектра быстрых электронов. Измерены функции распределения ранее не исследованных спектральных групп электронов. Путем сравнения теоретических и экспериментальных ФРЭ предложен метод и определена концентрация мстастабильпых атомов гелия.
Разработан новый метод диагностики анизотропной плазмы удаленных астрофизических объектов. Приведены результаты апробации метода. Все новые методы, представленные в этом разделе защищены авторскими свидетельствами.
Во второй части представлена анизотропная плазма с поверхностной ионизацией плазмообразующего компонента.
В пятой главе описан метод одновременной диагностики анизотропной ириэлек-тродной плазмы и свойств катодов с различной геометрией поверхности. В качестве одно-
28
мерной модели приэлсктродной плазмы рассматривается кнудсеновский Сэ-Ва диод с поверхностной ионизацией. Изложены теоретические принципы метода магнитной диагностики анизотропной плазмы в перекомпснсированном режиме.
В КДПИ в межэлектродном промежутке, за исключением приэлектродных областей, потенциал в плазме постоянен и электроны движутся прямолинейно. На катодном скачке потенциала электроны приобретают нормальную к поверхности катода составляющую скорости (разброс по скоростям определяется температурой катода). В поперечном магнитном поле электроны движутся по криволинейным траекториям с ларморовским радиусом кривизны. С ростом напряженности магнитного поля ларморовский радиус становится меньше межэ-лсктродного зазора и часть электронов, не достигая анода, возвращается на катод. Это приводит к уменьшению проходящего анодного тока. Исследование зависимости относительного ослабления электронного тока насыщения в магнитном поле (магнитной характеристики) положено в основу метода диагностики. Пространственное перераспределение концентрации электронов под действием магнитного иоля приводит к изменению распределения потенциала в межэлектродном зазоре и в свою очередь к изменению траекторий движения электронов. Таким образом, поведение электронов описывается самосогласованной системой кинетических уравнений с учетом внешнего магнитного поля и уравнения Пуассона Теоретический анализ поведения электронов в магнитном поле [3-8] показал, что задача может быть сведена к решению трансцендентных уравнений. В результате решения этой системы построены магнитные характеристики для различных значений степени компенсации у (здесь у = п(¥/п(_ - отношение концентраций ионов и электронов, рожденных на поверхности катода).
Задача решена с учетом поверхностного коэффициента отражения электронов и неоднородности реальных катодов по работе выхода. Разработан численный метод анализа экспериментальных данных, позволивший одновременно определить размеры приэлектродных областей, степень компенсации, потенциал и концентрацию плазмы, направленную скорость электронов в плазме, работу выхода катода, эффективный коэффициент отражения. Проанализирована устойчивость метода относительно случайных погрешностей в экспериментальных данных. Проведено разделение вклада в эффективный коэффициент отражения электронов, отражения непосредственно от поверхности и от потенциального барьера полей пятен. Измерены коэффициенты отражения и эмиссионная неоднородность поверхности для поли-кристаллического и ряда монокристаллических вольфрамовых катодов. Разработанный метод обеспечивает возможность непрерывного контроля эмиссионной однородности поверхности термокатодов в условиях их реальной эксплуатации (например в кнудсеновском ТЭП при температурах поверхности выше 2000 К и уровне электронной эмиссии Ю’-Ю2 Л/см2).
29
Увеличение давления паров бария снижает работу выхода катода и, как следствие, уменьшает степень компенсации. При достижении у й 1 реализуется нсдокомпенсированный режим, в котором распределение потенциала существенно зависит от степени заполнения потенциальной ямы ионами. Теоретический анализ проведен для двух предельных случаев: нулевого и полного заполнения ямы ионами. Показано, что при нулевом заполнении потенциальной ямы в нсдокомпснсированном режиме формируется двойной слой (виртуальный катод), перепад потенциала на внешней части которого увеличивается с уменьшением у. Это приводит к немонотонному изменению электронного тока и направленной скорости электронов в плазме с уменьшением у. Построены магнитные характеристики в недокомпенсиро-ванном режиме при различных значениях степени компенсации у и степени заполнения потенциальной ямы нонами. Экспериментально доказана нулевая степень заполнения потенциальной ямы ионами в кнудсеновском режиме и проведены исследования плазмы в недоком-пенсированном режиме.
Предложен метод измерения транспортного сечения рассеяния электронов малых энергий на атомах, основанный на анализе магнитных характеристик в переходной области от кнудсеновского к столкновителыюму режиму. Проведены измерения абсолютного сечения рассеяния электронов и отношения сечений на атомах цезия и бария. Предложен метод и измерена энергетическая зависимость сечений рассеяния электронов на атомах инертных газов.
Исследовано влияние геометрии поверхности катода на формирование ФРЭ в при-электродной плазме. Для миогополостного катода показано, что в перскомпснсированном режиме ФРЭ в полостях сильно анизотропна и электроны приобретают большую направленную скорость вдоль стенок полости. Предложена модель, объясняющая механизм формирования функции распределения в полостях. Показано, что существенную роль играет взаимодействие электронов с приэлсктродным потенциальным барьером сложной структуры, образующимся вблизи неоднородного по работе выхода электрода.
В третьей части представлены результаты применения методов диагностики анизотропной плазмы для оптимизации энергетических характеристик приборов плазменной электроэнергетики.
Термоэмиссионный способ преобразования тепловой энергии в электрическую актуален для космических приложений (мощные автономные энергоустановки для обеспечения маневрирования космических аппаратов и энергоснабжения исследовательских лабораторий). В качестве источника тедла используется ядерный реактор, с которым ТЭП образует единую энергетическую систему - термоэмиссионный реактор преобразователь. Перепекти-
30
вы дальних космических полетов с энергосистемами на основе ТРП кажутся сегодня реальными в связи с приобретением термоэмиссионного комплекса ТОПАЗ-2 агентством КЛБЛ.
В шестой главе представлены экспериментальные и теоретические результаты исследований плазмы и оптимизации параметров эффективного Сэ-Ва ТЭП в режиме с поверхностной ионизацией.
Исследуются распределения потенциала ТЭП с поверхностной ионизацией. Особое внимание уделено области перехода из перекомпснсироваиного режима в недокомпенсиро-ванный. Проведена оптимизация электронного тока насыщения и сравнение максимального тока ТЭП с хаотическим током в равновесной изотермической полости. Для оптимизации мощности ТЭП применен метод обобщенной вольт-амперной характеристики. Рассмотрены предельно достижимые энергетические параметры и КПД кнудсеновского ТЭП с плоским катодом. Показано, что в режиме с поверхностной ионизацией отношение реального КПД к КПД цикла Карно значительно выше, чем аналогичное отношение в дуговом режиме. Исследованы перспективы улучшения предельных энергетических характеристик кнудсеновского Сб-Вэ ТЭП за счет использования многополостных катодов.
Так как ТРП является низковольтным источником энергии постоянного тока, то при разработке ядерной термоэмиссионной станции необходимо решать проблемы преобразования постоянного тока в переменный для передачи энергии к системам потребления на расстояния в несколько десятков метров. Эти проблемы оптимально решаются при сочетании ТРП с радиационностойкой инверторной системой. Эффективными в таких условиях оказались полностью управляемые ключевые элементы на основе низковольтной дуги.
В седьмой главе рассмотрен полностью управляемый плазменный Сэ-Ва ключевой элемент на высокие плотности тока Представлены экспериментальные результаты исследований кинетики процессов полного сеточного управления в стационарном режиме кнудсе-новской дуги. Рассмотрены физические принципы перехода кнудсеиовской дуги в нестационарный режим. Предложен новый эффективный способ модуляции тока на основе обнаруженного явления самопроизвольного обрыва тока. Выполнены оптические исследования нестационарных процессов в режиме самопроизвольного обрыва тока. Исследована эффективность сеточного гашения и показано, что плазменный Сэ-Ва ключевой элемент в нестационарном режиме перспективен не только с точки зрения эффективности управления, но и с точки зрения предельных параметров. При анодном напряжении 50 В на частотах 1-10 кГц получена устойчивая модуляция удельной электрической мощности 4 кВт/см2 и КПД более 95 %.