Основы физики плазмы - Кролл Н.
Скачать (прямая ссылка):
В следующих параграфах описаны некоторые схемы создания плазмы для лабораторных исследований. Помимо способов создания плазмы, описанных в этих параграфах и других разделах настоящей книги, существует много других.,
Тема для обсуждения. Для каждого из приведенных ниже видов плазмы составьте краткое описание принципа действия, преимуществ, ограничений и характерных особенностей схем, используемых для создания плазмы.
1. Плазма в ударных трубах [8].
2. Разряд Пеннинга в магнитном электроразрядном манометре [9].
3. Несамостоятельный разряд с электронным пучком [10].
4. Лазерная плазма [11].
§ 16. РАЗРЯД НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ
Стационарный (или импульсный) дуговой разряд низкого давления можно создать и поддерживать в предварительно откачанном сосуде, если с помощью электродов приложить напряжение, как показано на фиг. 11. При этом образуется редкая (п « IO10 см*"3) и холодная (Te <С 5000 К)
ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ ПЛАЗМЫ
31
Катод
Анод
TokI
Резистор
WWvA
Источник питания
Фиг. И. Схема разряда низкого давления с холодным катодом и соответствующая электрическая цепь.
плазма. Такие приборы использовались на ранних этапах изучения плазмы и в атомной спектроскопии. Они обладают многими интересными особенностями [12] и до сих пор применяются во многих плазменных исследованиях. Приборы с тлеющим разрядом (маленькие неоновые трубки) используются для освещения, стабилизации напряжения и т. д.
С целью исследования лабораторной плазмы лучше использовать не разряд с холодным катодом, а разряд, в котором источником электронов для разрядной трубки служит термоэмиссионный катод с оксидным покрытием. Конструкция такого устройства схематически показана на фиг. 12. В этом газоразрядном приборе обычно используются насыщенные пары ртути при комнатной температуре (давление 10“3 мм рт. ст.). Плазма, создаваемая в такой разрядной трубке диаметром 1 см и длиной от 10 до 20 см, имеет плотность частиц п = IO9 — IO13 см"3. Трубка изготавливается с помощью обычной стеклодувной технологии. В трубку вводится капля ртути, а катод активируется после откачки вакуумным насосом до давления ниже 10~6 мм рт. ст. Чтобы удержать ртуть во время откачки и активации катода, ее помещают в небольшом отростке трубки и охлаждают до температуры жидкого азота (77 К). Эта процедура позволяет удержать давление паров ртути во время активации в приемлемых пределах.
Схема электрического питания такой разрядной трубки показана на фиг. 12. Напряжение накала к термоэмиссионному катоду или к независимой нити накала подводится от трансформатора по изолированным проводникам, способным выдержать приложенное напряжение. Хотя для поддержания разряда требуется падение напряжения вдоль трубки всего в несколько вольт на сантиметр, для зажигания разряда обычно приходится прикладывать высокое напряжение. Чтобы создать начальную концентрацию электронов для зажигания разряда, иногда приходится применять катушку Теслы. Внешнее сопротивление стабилизирует ток разряда, который без стабилизации возрастал бы до очень больших значений (определяемых лишь внутренним сопротивлением источника питания). Другими словами, дуговой разряд имеет отрицательное дифференциальное сопротивление (падающую вольтамперную характеристику). С помощью специального трансформатора (фиг. 12) можно модулировать ток. Поскольку плотность плазмы пропорциональна разрядному току, таким образом можно изменять плазменную частоту, оставляя все прочие параметры постоянными. В гл. 4 при обсуждении резонансов в плазме мы увидим, насколько полезен рассмотрен-
§ 17. ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ДУГОВОЙ РАЗРЯД
Нить с оксидным покрытием
Фиг. 12. Схема термоэмиссионного дугового разряда с соответствующей электрической цепью.
ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ ПЛАЗМЫ
33
ный метод изменения плотности плазмы. Плотность и температура плазмы в таком термоэмиссионном разряде давно и подробно исследованы Кляр-фельдом [13]. Его полезные исследования позволили создавать в равряде лабораторную плазму с известными параметрами. Разрядные трубки подобного типа использовались также в экспериментах по исследованию плазменных волн и осцилляций в плазме ограниченных размеров [14, 15].
С помощью небольшого механического видоизменения рассмотренной разрядной трубки в нее можно вводить электронный пучок малого диаметра (1 мм) с энергией от 100 до 1000 эВ вдоль оси разрядной трубки. Система пучок — плазма подобного рода применялась Бойдом, Филдом и Гоулдом [16], а также Гоулдом и Трайвелписом [17] при исследовании пучковой неустойчивости.
§ 18« ПЛАЗМЕННЫЕ ПУШКИ
Во многих экспериментах с плазмой желательно инжектировать плазму в ту область, в которой хотят измерить ее параметры. Существует несколько методов, посредством которых плазма может быть создана в одном месте и транспортирована в другое.
Несмотря на отсутствие полного понимания принципа действия, широко используется подобного рода источник под названием источник с дейтериро-ванной шайбой, или источник Бостика. Этот источник был доведен до его теперешнего усовершенствованного вида почти полностью эмпирически, методом проб и ошибок [18]. На фиг. 13 показан один из вариантов этой плазменной пушки, а также основные элементы электрической цепи, предназначенной для питания установки. Принцип действия такого источника плазмы основан на свойстве металлического титана, нагретого в атмосфере
