Лабораторні методи отримання плазми

Серед технічних пристроїв, які нас постійно оточують, плазму використовують рекламні газорозрядні трубки, лампи денного світла, плазмові дисплеї.

Все більшу роль у житті людства відіграють різноманітні плазмові технології, зокрема, дугове зварювання, плазмове напорошення плівок, плазмове очищення та обробка поверхонь. Пристрої для керованого термоядерного синтезу розглядаються як один з можливих шляхів розв’язання енергетичної проблеми.

У лабораторних дослідженнях плазму звичайно отримують шляхом штучної іонізації газів або парів.

У цьому підрозділі ми розглянемо найбільш поширені методи отримання лабораторної плазми. Питання про установки для створення та утримання гарячої плазми, для розуміння роботи якої потрібні спеціальні знання з фізики плазми, розглядатиметься в підрозділі 4.4.

1.2.1. Плазма газового розряду

В курсі фізичної електроніки детально розглядалися основні типи газового розряду. Нагадаємо, що в жевріючому розряді позитивний стовп якраз являє собою плазмове утворення. Ця плазма (принаймні, для розрядів низького тиску) характеризується низьким ступенем іонізації (концентрація електронів – порядку 10¹⁰ см^-3), а також значним розривом між електронною (порядку 1 еВ, або 10⁴ К) та іонною (порядку 300 К) температурами.

В дуговому розряді також існує позитивний стовп. При тисках порядку атмосферного і вище плазма цього стовпа є ізотермічною (температура – порядку 1 еВ, концентрація – 10¹⁵-10¹⁸ см^-3). Ступінь іонізації вищий, ніж у плазмі жевріючого розряду, і звичайно складає декілька одиниць або десятків відсотків, зростаючи зі збільшенням розрядного струму. У дугах надвисокого тиску (більше 10 атмосфер) 80-90% енергії, що відбирається від джерела живлення розряду, переходить у випромінювання.

Нарешті, в безелектродних розрядах (високочастотному та надвисокочастотному, а також оптичному) теж можна отримати плазму з типовою концентрацією 10¹⁰-10¹¹ см^-3. Режим роботи установок при цьому може бути як імпульсним, так і неперервним. Така плазма не забруднюється матеріалом електродів. Накладання магнітного поля дозволяє збільшити температуру утворюваної таким чином плазми до 10²-10³ кеВ і вище.

1.2.2. Плазмотрони

Плазмотрон (генератор плазми) – це пристрій, де в результаті протікання струму через розрядний проміжок утворюється газова плазма, яка використовується як джерело світла чи тепла, а також для плазмової обробки матеріалів. Плазмотрони були розроблені й почали використовуватися з 1950-х рр. Причинами появи плазмотронів були, по-перше, поява тугоплавких матеріалів та необхідність їхньої обробки, по-друге, потреба в джерелах тепла великої потужності. Сьогодні плазмотрони додатково використовуються для нанесення плавок (плазмове напорошення), як двигуни космічних апаратів, для накачування потужних газових лазерів, в плазмохімії та плазмовій металургії, в інших областях.

Принцип роботи плазмотрона полягає в примусовому продуванні газу через область горіння розряду. При цьому газ нагрівається та іонізується. Утворена таким чином плазма звичайно витікає назовні у вигляді струменя при атмосферному тиску. Найчастіше в плазмотронах використовуються дуговий розряд (рис. 1.6), розряд Пеннінга, безелектродні високочастотні та мікрохвильові розряди (рис. 1.7), а також лазерний пробій газу (рис. 1.8).

Рис. 1.6. Дуговий плазмотрон постійного струму: 1 - електроди, 2 - міжелектродна вставка, 3 - соленоїди, 4 - область горіння дугового розряду, 5 - подання газу, 6 - витікання плазми.

Рис. 1.7. Індукційний (а) та мікрохвильовий (б) плазмотрони: 1 - джерело електроживлення, 2 - область горіння розряду, 3 - плазмовий струмінь, 4 - індуктор, 5 - розрядна камера, 6 - хвилевід.

Як робочий газ у плазмотроні найчастіше використовується повітря, азот, аргон, водень. Тиск газу варіюється в межах від 10^-1 Торр до сотень атмосфер, потужність плазмотронів - від десятків Вт до десятків МВт, температура - (1-3)×10⁴ К, в рекордних випадках - до 1.5×10⁵ К.

Для нанесення покриттів електрод, що розпорошується, розміщується на осі камери і підсувається в неї в міру вигорання матеріалу.

Рис. 1.8. Оптичний плазмотрон: 1 - лазерний промінь, 2 - лінза, 3 - сопло, 4 - потік газу, 5 - плазмовий струмінь.

В потужних плазмотронах потік газу вводиться в робочу камеру із закручуванням. При цьому холодний газ витискається до стінок, попереджаючи їх перегрівання. Інколи в таких плазмотронах використовується стабілізація дуги потоком води.

Плазмотрони з безелектродними розрядами використовуються, коли потрібно отримати потік плазми високої чистоти - наприклад, для отримання високодисперсних надчистих порошкових матеріалів. Перевагою оптичних плазмотронів є відсутність спеціальних пристроїв для підведення електромагнітної енергії (індукторів, хвилеводів та інших).

1.2.3. Q-машини

Плазма газового розряду звичайно є турбулентною, тобто в ній збуджені різноманітні коливання та хвилі з великою амплітудою. В той же час в деяких експериментах дослідники прагнули створити по можливості спокійну плазму. Частково цій вимозі задовольняють так звані Q-машини (назва походить від англійського словосполучення quiescent plasma –спокійна плазма), в основі роботи яких лежить поверхнева іонізація парів лужних металів (нагадаємо, що лужні метали характеризуються найнижчими потенціалами іонізації).

Рис. 1.9. Схема Q-машини.

Типова схема Q-машини подана на рис. 1.9. Потік атомів цезію (або іншого лужного металу) падає на розжарену вольфрамову пластину. При зіткненні з нею відбувається поверхнева іонізація атомів цезію: відбиваючись від розжареної поверхні, атоми перетворюються на іони. Якщо температура вольфрамової пластини достатньо висока (2300 К і вище), з поверхні вольфраму відбувається ще й термоелектронна емісія, так що на кожен іонізований атом цезію припадає в середньому один електрон. В результаті з поверхні вольфрамової пластини відходить потужний потік цезієвої плазми. Він утримується від розбухання зовнішнім магнітним полем, паралельним до осі установки, і відбивається від іншої розжареної пластини, розташованої в протилежному кінці робочої камери.

Область, зайнята плазмою, звичайно має радіус декілька сантиметрів, а довжину – від 10 см до метрів. Густина плазми складає 10⁹-10¹³ см^-3, температура – порядку 0.1 еВ, ступінь іонізації – 99%.

1.2.4. Плазмова гармата та плазмовий фокус

У деяких експериментах необхідно інжектувати плазмовий згусток у певну область – наприклад, заповнити магнітну пастку для плазми. Для цього використовуються так звані плазмові гармати.

Прикладом таких пристроїв може служити коаксіальна плазмова гармата, або гармата Маршалла. Її схема наведена на рис. 1.10. Між ізольованими коаксіальними провідниками такої гармати прикладається напруга від батареї конденсаторів. У проміжок між провідниками вводиться невелика кількість нейтрального газу (порядку 10¹⁸ атомів). Коли прикладена напруга перевищує величину, необхідну для пробою газу, в ньому запалюється дуговий розряд. Сильний струм дугового розряду, що протікає в радіальному напрямку, створює магнітне поле, спрямоване в азимутальному напрямку (вздовж кута j циліндричної системи координат, вісь якої збігається з віссю системи). Це поле породжує силу Ампера, під дією якого плазма дуги прискорюється в аксіальному напрямку (вздовж осі z) в бік відкритого кінця плазмової гармати до швидкостей порядку 10⁸ см/с.

Рис. 1.10. Схема коаксіальної плазмової гармати.

Модифікацією описаної вище коаксіальної плазмової гармати є установка для отримання плазмового фокусу, схема якої наведена на рис. 1.11. В цій установці додатковим елементом є електромагніт, що створює додаткове магнітне поле. Силові лінії цього поля являють собою петлі, розташовані в площині осі системи, які охоплюють стінки внутрішнього провідника відрізка коаксіального кабелю. В результаті плазмовий згусток, сформований та прискорений коаксіальною гарматою, пролетівши до кінця коаксіального провідника, рухається вздовж магнітних силових ліній і фокусується до густини порядку 10²⁰ см^-3. Час життя плазмового згустку складає величину порядку 10² нс, температура – одиниці кеВ.

Первісно плазмовий фокус розглядався як можливий спосіб реалізації керованого термоядерного синтезу. Зараз він привертає увагу як імпульсне джерело нейтронів з виходом порядку 10¹¹ частинок в імпульсі, а також як джерело рентгенівського випромінювання з перспективою застосування в мікроелектроніці (для виготовлення мікросхем методом фотолітографії).

Рис. 1.11. Схема установки для отримання плазмового фокусу.

Контрольні питання до підрозділу 1.2

1. Поясніть, чому температури електронів та іонів у жевріючому розряді різко відрізняються.

2. Чому плазма дугового розряду виявляється ізотермічною?

3. Чому накладання сильного магнітного поля дозволяє помітно підвищити температуру плазми в безелектродних розрядах?

4. Чому, на Вашу думку, в плазмі газового розряду постійно збуджуються різноманітні коливання та хвилі?

5. Які способи створення спокійної плазми Вам відомі?

Задачі до підрозділу 1.2

1. Оцініть повну кінетичну енергію плазмового згустку, сформованого коаксіальною плазмовою гарматою.

2. Яке магнітне поле потрібно створити в Q-машині, щоб утримати плазму від розбухання?

[1] Під темною матерією (вживають також термін «прихована маса») в астрономії та космології розуміють гіпотетичну форму речовини, яка не взаємодіє з електромагнітними хвилями і потоками нейтрино та не випромінює їх. Таким чином, пряме спостереження темної матерії неможливе. Але її можна виявити завдяки спричиненим нею гравітаційним ефектам. Вважають, що кількість темної матерії принаймні в п’ять разів перевищує масу спостережуваних сучасними засобами об’єктів.

[2] В космології гіпотеза про існування темної енергії введена для пояснення того експериментально виявленого факту, що Всесвіт розширюється з прискоренням. Існують різні гіпотези щодо її природи. Відповідно до однієї з них, темна енергія – це постульована ненульова енергія вакууму, яка рівномірно заповнює весь простір Всесвіту і не змінюється в часі. Відповідно до іншої гіпотези, темна енергія пов’язана з деяким полем, і її густина може змінюватися в часі й у просторі. Гіпотеза про існування темної енергії дозволяє розв’язати проблему прихованої маси.

Дата добавления: 2015-12-08