Генерация ионов дейтерия в вакуумном дуговом разряде с композиционным газонасыщенным катодом и в дуге низкого давления | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/11

Генерация ионов дейтерия в вакуумном дуговом разряде с композиционным газонасыщенным катодом и в дуге низкого давления

Плазма, содержащая ионы дейтерия, находит применение, например, при получении потоков нейтронов. Генерация нейтронов осуществляется в ядерных реакциях при взаимодействии извлеченных из плазмы пучков ускоренных ионов дейтерия с твердотельной мишенью, содержащей тяжелые изотопы водорода - дейтерий или тритий. Дейтериевая плазма может быть получена в двух разновидностях дугового разряда с холодным катодом: в вакуумном дуговом разряде с композитным катодом - металлом, насыщенным дейтерием, - а также в дуговом разряде низкого давления с напуском газообразного дейтерия в разрядный промежуток. Представлены результаты исследований масс-зарядового состава плазмы этих разновидностей дуговых разрядов и проведен сравнительный анализ методов генерации в таких разрядных системах ионов дейтерия.

Generation of deuterium ions in a vacuum arc with a composite gas-saturated cathode and in a low-pressure arc.pdf Введение Вакуумный дуговой разряд с холодным композитным катодом - электродом, состоящим из двух и более элементов, на котором функционируют катодные пятна, обеспечивающие испарение и ионизацию его материала, используется для получения многокомпонентной плазмы [1, 2]. Многокомпонентная плазма, генерируемая в вакуумной дуге с катодом, выполненным из несколько металлов [3], применяется для нанесения покрытий сложного состава на поверхность деталей с целью увеличения их твердости или химической стойкости [4, 5]. Катод, состоящий из металла и не проводящего электрический ток неметаллического элемента, позволяет получать в плазме дуги ионы этого элемента [6, 7]. Так, например, в работе [8] показано, что в случае катода из гексаборида лантана - LaB6, доля ионов бора в плазме дуги составляет около 85 % и соответствует доле атомов бора в материале катода. Использование композитных газонасыщенных металлических катодов позволяет генерировать в плазме дуги, наряду с ионами металла, и ионы газа. Катоды из титана или циркония, насыщенные тяжелыми изотопами водорода - дейтерием или тритием, широко применяются для генерации плазмы этих изотопов в исследованиях термоядерных реакций [9], а также для генерации потоков нейтронов [10,11]. Изучению условий устойчивого функционирования и определению параметров плазмы вакуумной дуги с катодом из циркония, насыщенного дейтерием, - дейтерида циркония ZrDх - были посвящены работы [12, 13]. В данной работе рассмотрено экспериментальное исследование процессов генерации ионов дейтерия в плазме двух разновидностей дугового разряда с холодным катодом: вакуумного дугового разряда с катодом из дейтерида циркония и дугового разряда низкого давления с катодом из циркония и с напуском газообразного дейтерия в разрядный промежуток. Методика и техника эксперимента Для проведения исследований процессов генерации ионов дейтерия в двух разновидностях импульсного дугового разряда использовалась аналогичная [14-16] разрядная система, схематично представленная на рис. 1. В случае вакуумного дугового разряда катод 1 был выполнен из дейтерида циркония ZrD0.67 с соотношением металлического и газового компонетов 100:67. Такие катоды используюся в вакуумных нейтронных трубках [11]. Катод имел форму шайбы с внешним диаметром 23 мм, диаметром отверстия 9 мм и толщиной 1.8 мм. Отверстие в катоде использовалось для размещения в нем узла разряда, инициирующего дугу: изолятора поджигающего разряда 2 - керамической трубки с внешним диаметром 12 мм и длиной 3 мм, на торце которой располагался металлический анод поджигающего разряда 3, выполненный из немагнитной нержавеющей стали. В случае дуги низкого давления использовался катод 1 из чистого циркония с идентичными размерами, а газообразный дейтерий чистотой 0.99 подавался в разрядный промежуток через регулируемый игольчатый натекатель 4, размещенный на фланце вакуумных вводов 5. Катод располагался в центре соленоида 6, подключенного к отдельному источнику питания и создающего в области катода аксиальное магнитное поле с длительностью импульса синусоидальной формы 200 мкс и амплитудой индукции до 0.2 Тл. Поскольку длительность импульса дуги была меньше длительности импульса магнитного поля более чем на порядок величины, а дуга зажигалась вблизи максимума импульса магнитного поля, где изменение поля во времени было минимально, магнитное поле можно было считать квазистационарным. Рис. 1. Схема разрядной системы: 1 - катод; 2 - изолятор поджигающего разряда; 3 - анод поджигающего разряда; 4 - регулируемый натекатель дейтерия; 5 - фланец вакуумных вводов; 6 - соленоид магнитного поля; 7 - анод дуги; 8 - плазменный электрод; 9 - извлекающий электрод; 10 - заземленный электрод; 11 - ионный пучок к цилиндру Фарадея и времяпролетному спектрометру В обоих случаях инициирование дугового разряда осуществлялось поджигающим разрядом по внешней поверхности изолятора 2. Инициирующий разряд зажигался при приложении высоковольтного импульса напряжения амплитудой 10 кВ между катодом 1 и анодом поджигающего разряда 3. При этом на поверхности катода образовывались катодные пятна, плазма из которых распространялась в полость анода дуги 7. Образование этой плазмы стимулировало зажигание основного дугового разряда между катодом 1 и анодом 7. Импульс тока дуги формировался при разряде конденсатора емкостью 1 мкФ с индуктивностью около 20 нГн. Амплитуда импульса тока дуги регулировалась в пределах от 100 А до 1 кА изменением напряжения зарядки конденсатора Uarc от 0.3 до 3.5 кВ. Длительность импульса тока дуги определялась импедансом разрядного контура и составляла от 3 до 6 мкс (здесь и далее под длительностью импульсов понимается ширина импульса на полувысоте). В разрядной системе торцевая поверхность анода 7, находящаяся на расстоянии 12 см от поверхности катода, была перфорирована 199 отверстиями диаметром 5 мм, расположенными в гексогональном порядке. Этот перфорированный торец анода выполнял роль плазменного электрода 8 и, вместе с двумя другими такими же электродами 9 и 10, образовывал ускоряюще-замедляющую многоапертурную систему формирования ионного пучка [17]. При приложении между электродами 8 и 10 ускоряющего напряжения величиной Uextr = 30 кВ из плазмы дуги извлекался и формировался ионный пучок 11 диаметром сечения 10 см с амплитудой импульса тока до нескольких сотен миллиампер. Промежуток между электродами 8 и 9 был равен 16 мм, а между электродом 9 и 10 - 5 мм. Отрицательный потенциал на извлекающем электроде 9, отражающий вторичные электроны из области транспортировки ионного пучка, обеспечивался приложением между ним и электродом 10 напряжения 2 кВ. Измерения масс-зарядового состава дуговой плазмы проводились с помощью времяпролетного масс-зарядового спектрометра, конструкция и принцип работы которого представлены в [18]. Затвор спектрометра находился на расстоянии 1.7 м от заземленного электрода 10 ускоряющей системы, а его пролетная база составляла 1.0 м. Поскольку состав извлеченного ионного пучка в полной мере определялся масс-зарядовым распределением ионов в дуговой плазме, то измеренный масс-зарядовый спектр ионного пучка соответствовал масс-зарядовому спектру ионов плазмы. Измерение плотности ионного тока на оси пучка осуществлялось подвижным магнитоизолированным цилиндром Фарадея с площадью коллимирующего отверстия 10 см2. Цилиндр Фарадея располагался на расстоянии 0.7 м от электрода 10. Имелась возможность его перемещения в плоскости поперечного сечения пучка. Вакуумная камера объемом 0.7 м3, к противоположным торцам которой пристыковывались вакуумная дуговая разрядная система и времяпролетный спектрометр, откачивалась до давления уровня 3•10-7 Торр криогенным насосом со скоростью откачки 3200 л/с. Таким образом, для исследования генерации ионов дейтерия в плазме двух разновидностей дугового разряда с холодным катодом использовалась одинаковая разрядная система, схема питания и методика измерений масс-зарядового состава плазмы. Отличие заключалось в том, что в случае вакуумного дугового разряда с композитным катодом использовался катод из дейтерида циркония, напуск газа отсутствовал, а давление в разрядной системе составляло величину уровня 3•10-7 Торр. В случае дугового разряда низкого давления использовался катод, выполненный из циркония, а газообразный дейтерий напускался в разрядную систему и его давление составляло 5•10-5-5•10-4 Торр. Результаты экспериментов Характерные импульсы токов вакуумного дугового разряда с композиционным катодом из дейтерида циркония и дуги низкого давления с циркониевым катодом при напуске газообразного дейтерия представлены на рис. 2, а, а соответствующие им импульсы токов ионного пучка, измеренные цилиндром Фарадея, на рис. 2, б. Видно, что максимумы тока дуги низкого давления при напуске дейтерия до давления р = 2•10-4 Торр достигаются раньше, чем в случае вакуумного дугового разряда с катодом из дейтерида циркония при остаточном давлении р = 3•10-7 Торр. Наличие в разрядном промежутке магнитного поля приводило для обеих разновидностей дуговых разрядов к «сдвигу» максимумов импульсов тока дуги и соответственно имульсов извлеченного ионного тока в область больших времен и к удлинению импульсов. Электрический заряд, переносимый дугой, для импульсов, представленных на рис. 2, a, был примерно одинаков и составлял около 2.1 мКл, а полный заряд за импульс тока ионного пучка рис. 2, б увеличивался при наложении магнитного поля приблизительно на 30 % в случае вакуумной дуги и на 50 % - в случае дуги низкого давления. Рис. 2. Импульсы токов дугового разряда (а) и токов ионного пучка на цилиндр Фарадея (б) в случае дуги низкого давления с катодом из циркония при напуске дейтерия (кр. 1, 3) и в случае вакуумной дуги с катодом из дейтерированного циркония (кр. 2, 4). Магнитное поле В = 0 (кр. 1, 2) и 0.15 Тл (кр. 3, 4), давление р = 2•10-4 Торр (кр. 1, 3) и 3•10-7 Торр (кр. 2, 4). Усреднение по восьми импульсам. Емкость разрядного конденсатора 1 мкФ, напряжение зарядки конденсатора Uarc = 2.1 кВ, ускоряющее напряжение Uextr = 30 кВ Характерные масс-зарядовые спектры ионов плазмы дуги низкого давления и вакуумного дугового разряда представлены на рис. 3, а и б соответственно. Видно, что в первом случае в спектрах доминируют ионы материала катода, а во втором - ионы дейтерия. В дуговой плазме также присутствуют примеси: ионы водорода и следы ионов кислорода и углерода. Как следует из полученных зависимостей, в плазме, как вакуумной дуги, так и дуги низкого давления, присутствуют двух-, трех- и четырехзарядные ионы циркония. Эволюция масс-зарядового состава плазмы в течение импульса тока дуги для обеих разновидностей дугового разряда иллюстрируется данными, представлеными на рис. 4. Рис. 3. Времяпролетные спектры состава плазмы дуги низкого давления с циркониевым катодом при напуске газообразного дейтерия (a) и вакуумной дуги с катодом из дейтерида циркония (б). Амплитуда импульса тока вакуумной дуги Iarc = 800 А, магнитное поле В = 0, момент измерения после начала импульсов - 15 мкс (a) и 10 мкс (б) Рис. 4. Зависимости масс-зарядового состава плазмы дуги в течение импульса, измеренные времяпролетным масс-спектрометром в случае циркониевого катода (а, б) и катода из дейтерированного циркония (в, г) без магнитного поля (a, в) и с магнитным полем (б, г) для условий рис. 2. Ионы: 1 - D+; 2 - D2+; 3 - Zr2+; 4 - Zr3+; 5 - Zr4+ По экспериментальным данным, представленным на рис. 4, определялись интегральные параметры ионных компонентов дуговой плазмы за импульс тока. Поскольку масс-зарядовый состав плазмы дуги значительно изменяется в течение импульса, для характеризации зарядовых состояний ионов циркония было использовано значение интегральной средней зарядности ионов

Ключевые слова

ion beam, gas-saturated cathode, deuterium, vacuum arc discharge, plasma, ионный пучок, газонасыщенный катод, дейтерий, плазма, вакуумная дуга

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Юшков Георгий ЮрьевичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.т.н., гл. науч. сотр.gyushkov@mail.ru
Фролова Валерия ПетровнаИнститут сильноточной электроники СО РАН; Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроникик.ф-м.н., мл. науч. сотр. ИСЭ СО РАН, мл. науч. сотр. ТУСУРаfrolova_valeriya_90@mail.ru
Окс Ефим МихайловичИнститут сильноточной электроники СО РАН; Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроникид.т.н., профессор, зав. лабораторией ИСЭ СО РАН, зав. каф. физики ТУСУРаoks@fet.tusur.ru
Николаев Алексей ГеннадьевичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.т.н., ст. науч. сотр.nik@opee.hcei.tsc.ru
Всего: 4

Ссылки

Anders A., Yushkov G., Oks E., et al. // Rev. Sci. Instrum. - 1998. - V. 69. - P. 1332-1335.
Oks E.M., Brown I.G., Dickinson M.R., et al. // Appl. Phys. Lett. - 1995. - V. 67. - P. 200-202.
Oks E.M. and Yushkov G.Y. // Russ. Phys. J. - 1994. - V. 37. - P. 222-229.
Nikolaev A.G., Oks E.M., Yushkov G.Y. // Tech. Phys. - 1998. - V. 43. - P. 514-517.
Bugaev S.P., Nikolaev A.G., Oks E.M., et al. // Rev. Sci. Instrum. - 1994. - V. 65. - P. 3119- 3125.
Anders A. and Yushkov G.Y. // J. Appl. Phys. - 2002. - V. 91. - P. 4824-4832.
Yushkov G.Y., Anders A., Oks E.M., and Brown I.G. // J. Appl. Phys. - 2000. - V.88. - P. 5618- 5622.
Kaneda A., Yamamoto M., Naito S., et al. // J. Phys.: Condens. Matter. - 1998. - V. 10. - P. 4645- 4657.
Yushkov G.Y., Nikolaev A.G., Frolova V.P., et al. // Phys. Plasmas. - 2017. - V. 24. - P. 123501.
Galvin J.E., Brown I.G., and MacGill R.A. // Rev. Sci. Instrum. - 1990. - V. 61. - P. 583-585.
Brown I.G. // Rev. Sci. Instrum. - 1994. - V. 65. - P. 3061-3082.
Бугаев A.С., Гушенец В.И., Николаев А.Г. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2000. - Т. 43. - № 2. - С. 21-28.
Бугаев А.С., Визирь А.В., Гушенец В.И. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 8. - С. 115-123.
Nikolaev A.G., Oks E.M., Savkin K.P., et al. // Rev. Sci. Instrum. - 2012. - V. 83. - P. 02A501.
Barengolts S.A., Karnaukhov D.Y., Nikolaev A.G., et al. // Tech. Phys. - 2015. - V. 60. - P. 989-999.
Frolova V.P., Nikolaev A.G., Oks E.M., et al. // Proc. 28th Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. - Greifswald, Germany, 2018. - P. 447-450.
Nikolaev A.G., Oks E.M., Frolova V.P., et al. // Tech. Phys. - 2017. - V. 62. - P. 701-707.
Bitulev A.A., Churin S.V., Shchitov N.N., et al. // At. Energy. - 2015. - V. 118. - P. 354-359.
Baksht R.B., Oreshkin V.I., and Rousskikh A.G. // Phys. Plasmas. - 2013. - V. 20. - P. 082701.
Monnina C., Bacha P., Tullea P.A., et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. - 2002. - V. 480. - P. 214-222.
Nikolaev A.G., Oks E.M., Vizir A.V., et al. // Rev. Sci. Instrum. - 2016. - V. 87. - P. 02A902.
Николаев А.Г., Окс Е.М., Фролова В.П., Юшков Г.Ю. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 9. - С. 62-65.
Frolova V.P., Gushenets V.I., Nikolaev A.G., et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2017. - V. 45. - P. 2070-2074.
Иванов Ю.Ф., Шугуров В.В., Крысина О.В. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 5. - С. 118-125.
Belous V.A., Kuprin A.S., Dub S.N., et al. // J. Superhard Mater. - 2013. - V. 35. - P. 20-24.
Nikolaev A.G., Oks E.M., Savkin K.P., et al. // J. Appl. Phys. - 2014. - V. 116. - P. 213303.
Savkin K.P., Yushkov Y.G., Nikolaev A.G., et al. // Rev. Sci. Instrum. - 2010. - V. 81. - P. 02A501.
Anders A. // Phys. Rev. E. - 1997. - V. 55. - P. 969-981.
 Генерация ионов дейтерия в вакуумном дуговом разряде с композиционным газонасыщенным катодом и в дуге низкого давления | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/11

Генерация ионов дейтерия в вакуумном дуговом разряде с композиционным газонасыщенным катодом и в дуге низкого давления | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/11