НЕПРЕРЫВНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ПУЧКОВ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В АНОМАЛЬНОМ ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ В ГАЗЕ СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ.

А.В. Азаров, С.В. Митько, В.Н. Очкин, ^*В.Я. Виттеман

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия
^*Университет Твенте, Энсхеде, Нидерланды

    Создание электронных пучков с энергией в сотни электронвольт непосредственно в рабочем газе представляет интерес в задачах микроэлектронной технологии и лазерной физики [1,2]. Для получения таких пучков в настоящее время используется ⌠открытый■ разряд, ускорительный промежуток которого образован близко расположенными (~ 0,5 мм) катодом и сетчатым анодом [3,4]. Технологические трудности по обеспечению теплоотвода с сетчатого анода приводят к ограничению средней мощности пучка и возможностей его непрерывной генерации.
    В данной работе исследована возможность непрерывной генерации электронного пучка в аномальном тлеющем разряде в газе среднего давления. Катодные элементы 0,65 мм формировались с помощью сквозных отверстий в тонком (0,15 мм) слое керамики, нанесенном на железную пластину методом обжига. Медная фольга с отверстиями 3 мм, расположенными над катодами, прижималась с наружной стороны керамики и служила анодом. Вследствие малой площади отдельного катода, зажигание аномального тлеющего разряда происходит при небольшом полном токе. Электроны, ускоренные в области катодного падения напряжения, выбрасываются в заанодную область, создавая поддерживаемую электронным пучком плазму.
    Эксперименты велись в Не при давлении 20 √ 100 Торр и напряжении до 1,5 кВ. Типичные ВАХ разряда с одним катодным элементом представлены на рис.1. Большие разрядные напряжения свидетельствуют о высокой степени аномальности разряда (нормальное катодное падение в Не с железным катодом составляет 120 В). Глубина проникновения пучка L оценивалась по спаду интенсивности свечения Не I на длине волны 5876Ю(2³P-3³D). L практически линейно зависит от напряжения U и уменьшается с ростом давления p. При p=100 Торр L составляет ~5 мм, достигая ~ 12 мм при p=20 Торр и U=1,5 кВ.
    В рамках данной работы удалось реализовать непрерывный режим генерации пучка с энергией ~ 1,5 кВ в Не при давлении 100 Торр. Предложенная конструкция значительно расширяет возможности генерирования пучков быстрых электронов в газах среднего давления.

    Работа частично поддержана Учебно-Научным Центом ⌠Фундаментальная Оптика и Спектроскопия■ в рамках ФЦП ⌠Интеграция■ и грантом NWO (Нидерланды).

Литература

1. Kovalev A.S., Mankelevich Y.A., Muratov E.A. et.all. Труды конф. ESCAMPIG 92. St. Petersburg, Russia, 1992, p. 435-436.
2. Ардашев С.В., Борович Б.Л., Голубев Л.Е. и др. Кв. электроника, 1994, 21, с. 824-826.
3. Бохан П.А., Колбычев Г.В. ЖТФ, 1981, т.51, с. 1823-1830.
4. Акишев Ю.С., Дятко Н.А., Напартович А.П., Перетятько П.И. ЖТФ, 1989, т.59, с. 14-16

О НЕКОТОРЫХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ И ПРИМЕНЕНИИ ИОННЫХ ПУЧКОВ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ В АНОМАЛЬНОМ ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ С ЖИДКИМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ АНОДОМ.

И.М. Ройфе, Ю.А. Василевская, Е.Г. Янкин, А.М. Губин

Научно-Исследовательский Институт Электрофизической Аппаратуры им. Д.В.Ефремова, С.Петербург, Россия

    Ранее была показана физическая осуществимость генерирования пучков ионов углерода с энергией масштаба единиц кэВ достаточно высокой плотности (более 1мА на кв.см) в аномальных разрядах с жидким диэлектриком в аноде [1].
    Приводятся результаты исследования радиального распределения плотности тока ионного пучка с помощью разработанного полицилиндрического коллектора. Обсуждаются особенности распределения плотности тока для одно и многоострийного токоввода-эмиттера.
    Рассматриваются характеристики полученных при применении ионных пучков углерода алмазоподобных пленок на металлах и полупроводниках.

Литература

1. I. Roife et. al., Proceedings 12th Int. Conf. BEAMS▓98, v.II, Haifa, 1998, pp. 951-954.

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВАКУУМНОГО ЭЛКТРОДУГОВОГО ИСТОЧНИКА ПЛАЗМЫ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ПОКРЫТИЙ

А.Н. Кузнецов, Н.В. Прахов

МГТУ им. Н.Э. Баумана, г.Москва

    Источники плазмы с генерацией рабочего вещества в катодных микропятнах позволяют с помощью ионов различных проводящих веществ производить процессы ионного нагрева, очистки поверхности изделия, ионного легирования и, наконец, нанесения покрытий с различными свойствами из материала расходуемого катода. С применением добавок реактивных газов можно получить покрытия из нитридов, оксидов, карбидов металлов и других соединений. Процесс обеспечивает высокую чистоту (по составу) поверхностных слоёв и является высокоэкологичным.
    В докладе рассмотрены конструкция и характеристики электродугового источника плазмы с двумя оппозитными анодно-катодными узлами, каждый из которых состоит из одного катода и двух удалённых анодов. Также конструкция включает в себя систему экранов, находящихся под плавающим потенциалом, обеспечивающих сепарацию потоков плазмы от микрокапельной фазы. Исследование характеристик источника проводилось при генерации металлической плазмы титана в диапазоне изменения напряжения разряда 25┘50В, силы тока 100┘240А и приложенного внешнего магнитного поля до 10Гс. Для этого устройства в зависимости от величины тока разряда и продольного магнитного поля были получены вольт-амперные и генерационные характеристики разряда, распределение плотности ионного тока по рабочему объёму камеры и по различным направлениям. Также были измерены распределения разрядного тока между анодами при изменении режимов горения разряда. Были получены зондовые характеристики плазмы разряда.
    При помощи данной схемы расположения основных узлов источника плазмы удалось значительно повысить степень сепарации плазмы от микрокапельной фазы по сравнению с традиционными конструкциями и как следствие улучшить качество получаемых поверхностей. Также важным достижением является создание в рабочей камере области с достаточно равномерной плазмой, в том числе и по направлению обработки изделий, что позволяет обрабатывать изделия сложных форм без их вращения.

О ВОЗМОЖНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ БЕЗРАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МИШЕНИ

М.А. Яковлев

МГТУ им. Н.Э.Баумана,Москва,Россия; E-mail:yakovlev@mx.bmstu.ru

    Моделирование процесса взаимодействия ультракороткого лазерного импульса (длительность импульса t_p10^-12 c) с металлической мишенью в присутствии газовой атмосферы для умеренно-сильных интенсивностей I_em~ 10¹⁶ Вт/м² было выполнено в недавних работах [1, 2]. Для указанных выше интенсивностей параметр Келдыша Г²=_I/2e_os, e_os =e²E_a²(1+a²)/4mw²(здесь I-потенциал ионизации атома, e и m - заряд и масса электрона, E_a иwамплитуда и частота лазерного излучения,a=0 соответствует линейной поляризации излучения, a =1 циркулярной) Г²>>1, т.е. невозможна ионизация полем, кроме того маловероятна и многофотонная ионизация [3]).
    В работах [1, 2] было показано, что, запасенная за время импульса в электронной компоненте энергия ультракороткого лазерного импульса, вызывает в дальнейшем тепловую волну, а при достаточно высокой плотности энергии лазерного импульса и волну испарения, что приводит к абляции материала мишени. Для характерных металлов( например Cu) рассчитанный порог абляции F_abl= I_emt_pпри атмосферном давлении окружающего газа имеет значение F_abl╩0,2Дж/см² [2], заметим, что экспериментальное значение порога абляции в указанных условиях имеет несколько большее значение F_abl╩0,4Дж/см² [4].

Литература

1. Иногамов Н.А., Опарин А.М. и др. // Письма в ЖЭТФ. 1999. Т. 69, No. 4.С. 284.
2. Афанасьев Ю.В., Демченко Н.Н. и др. // Изв.АН.- 1999.- Т.63. No.4.С.667.
3. Лютер-Девис Б., Гамалий Е. Г., и др.//Квантовая электроника.-1992.-Т.19, No.4.-С.317.
4. Riley D., Langley A. J. et. al // J.Phys. D:Appl. Phys.-1998.- Vol.31.P.515.
5. Ивлев А. В., ЯковлевМ. А., Борденюк А. Н. // ЖТФ-1998.No.8.-С.42.

НАГРЕВ ПЛАЗМЫ В ПРЯМОЙ ЛОВУШКЕ САМОСОГЛАСОВАННЫМ ПОЛЕМ НЕОБЫКНОВЕННОЙ ВОЛНЫ.

В.Л. Ерухимов, В.Е. Семёнов

Институт Прикладной Физики РАН, Нижний Новгород, Россия

    Рассматривается задача линейного поглощения в области ЭЦР необыкновенной волны, распространяющейся вдоль оси магнитной ловушки, заполненной тёплой плазмой с нерелятивистской электронной компонентой. Основное внимание уделяется исследованию распределения поглощаемой энергии по электронам, характеризующимся заданной функцией распределения по скоростям. Определены условия, при которых эта энергия распределяется равномерно по основной массе электронов. Показано, в частности, что в случае сильного поглощения падающей волны (, где L√ масштаб неоднородности магнитного поля ловушки в области ЭЦР, w_p √ плазменная частота, w√ частота волны, c √ скорость света) равномерное распределение поглощаемой энергии по электронам реализуется только при достаточно малых значениях характерной тепловой скорости последних (), когда для большинства частиц несущественен допплеровский сдвиг от точки ЭЦР области взаимодействия с полем. Основная доля потока энергии волны поглощается в резонансной области, частицами с дотепловыми скоростями. Для относительно горячей электронной компоненты () основное поглощение происходит перед резонансной зоной, в области, где показатель преломления волны определяется бесстолкновительной гидродинамикой. В этом случае основная доля потока энергии волны поглощается небольшой фракцией энергичных частиц.
    Найден ряд аналогий с решением задачи о поглощении, обусловленном столкновениями. Показано, что для качественного анализа задачи можно использовать материальное соотношение, полученное для однородного магнитного поля.

e-mail:

• В.Л.Ерухимов: zlotnik@sandy.ru; vic@nstl.nnov.ru
• В.Е.Семёнов: sss@appl.sci-nnov.ru

THE HEATING OF PLASMA IN A MAGNETIC MIRROR TRAP BY THE SELF-CONSISTENT EXTRAORDINARY WAVE.

V.L. Eroukhimov, V.E. Semenov

Institute of the Applied Physics RAS, Nizhny Novgorod, Russia

    The problem of linear absorption near ECR region of an extraordinary wave, propagating along the longitudinal axis of the mirror trap filled by collisionless plasma with non-relativistic electron component, is considered. The distribution of the absorbed energy over the electrons characterized by a given velocity distribution function is regarded as a key subject for investigation. The conditions of the uniform distribution over the bulk of electrons are defined. In particular, it is shown that in case of strong absorption of the incident wave (, where L is the longitudinal scale of magnetic field in the ECR region, w_p is the electron plasma frequency, wis the wave frequency, c is the velocity of light) the uniform distribution of absorbed energy over electrons takes place only if the electron thermal velocity is sufficiently low () and the Doppler shift of the resonant point is negligible for the most part of electrons. The significant portion of the wave energy flux is absorbed in the resonant region by the particles with velocities under the thermal one. Concerning relatively hot electron component () the absorption occurs in the region before the resonance, where the wave refractive index is defined by the collisionless hydrodynamics. In this case the wave is absorbed by a small fraction of particles with high velocities.
    A number of analogies with the solution of the problem of collisional absorption is found out. Also it is shown that for the qualitative analysis of the problem the constitutive equation obtained from the homogeneous magnetic field case could be used.

e-mail:

• V.L. Eroukhimov: zlotnik@sandy.ru,vic@nstl.nnov.ru
• V.E. Semenov: sss@appl.sci-nnov.ru

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ПЛАЗМЕННОГО КАНАЛА ПРИ ПРОБОЕ ГАЗА В БЕССЕЛЕВОМ ПУЧКЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Марголин Л.Я., Чеготов М.В.^*, Шпатаковская Г.В.^**

ИВТ РАН, ^*НИЦ ТИВ ОИВТ РАН, ^**ИММ РАН, Москва, Россия

    Протяженные плазменные каналы (длиной до 1м при диаметре не более 100мкм), возникающие при пробое газов в мощных бесселевых пучках (Б-пучках) лазерного излучения, интересны для фундаментальных исследований и привлекательны для приложений таких как, например, скоростная коммутация, каналирование мощного лазерного излучения, создание плазменных лазеров диапазона мягкого рентгена. Продольная структура объекта c отношением длины к диаметру до 10⁴ является, очевидно, его важнейшей характеристикой. Выполненные ранее эксперименты обнаружили продольную неоднородность канала с пространственным масштабом ~l╓g² (l √ длина волны лазерного излучения,g √ угол наклона лучей Б-пучка к оси). Предложенные ранее феноменологические модели, учитывающие кубичную нелинейность среды и отражение греющего излучения от границы разлетающегося канала, также приводят к возникновению продольной структуры с указанным масштабом.
    Для описания развития плазменного канала разработана двумерная численная модель пробоя газа с малой (~10⁴cм^-3) концентрацией затравочных электронов. Уравнение распространения поля решалось в параболическом приближении с учетом рефракции и обратного тормозного поглощения в столкновениях электронов с атомами и ионами. В локальном уравнении для изменения концентрации электронов использовалась тепловая константа ионизации с температурой, которая в режиме лавинной ионизации зависит от локальной интенсивности лазерного излучения. Теплопроводность, диффузия, потери на нагрев тяжелой компоненты и гидродинамика плазмы не учитывались.
    Проведены расчеты пробоя гелия атмосферного и пониженного (0.1атм) давлений при нитевидной и трубчатой конфигурациях Б-пучка (радиальное распределение амплитуды поля описывается функциями Бесселя J₀и J₅). Установлено возникновение продольной модуляции интенсивности греющего излучения с масштабом ~l╓g ². Показано, что эффект может быть объяснен дифракцией лазерного пучка на возникающем плазменном канале. Зависимости параметров от давления и углаgсогласуются с полученными ранее результатами.

    Авторы признательны Н.Е.Андрееву и Л.Н.Пятницкому за полезные обсуждения.

    Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 99-02-16007).

ПЕРВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО УСИЛЕННОМУ РАССЕЯНИЮ В ПЛАЗМЕ ГЕЛИКОННОГО РАЗРЯДА.

Н.М. Каганская, ^*M. Крэмер, ^*Б. Лоренц, В.Л. Селенин

Физико-Технический Институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
^*Рурский Университет г. Бохум, Германия

Геликонный разряд представляет интерес для различных плазменных приложений как эффективный источник плотной плазмы [1]. Несмотря на значительные усилия, прикладываемые в последнее время к его изучению, физика разряда, особенно в отношении связи антенны с плазмой и передачи энергии от волны электронам, до сих пор до конца не ясна. Есть предположение, что существенную роль в поглощении энергии на границе плазмы играет мода Травелписа-Гулда [2], которая может возбуждаться наряду с основной модой. Существуют также предположения о параметрическом характере передачи энергии от волны электронам. В обоих случаях встает задача диагностики довольно коротковолновых (от нескольких миллиметров до долей миллиметра) плазменных колебаний. В данной работе предлагается использовать для этих целей рассеяние микроволнового излучения в области верхнего гибридного резонанса зондирующей волны (ВГР), т.н. усиленное рассеяние [3]. Данная диагностика давно и довольно успешно применяется для исследования коротковолновых колебаний плазмы как в токамачной плазме, где ВГР доступен для зондирующей волны со стороны сильного магнитного поля , так и в плазме лабораторных установок с однородным магнитным полем, где ВГР закрыт областью непрозрачности. Последняя ситуация имеет место и для геликонного разряда. В этом случае возможно зондирование через область непрозрачности, если вакуумная длина волны зондирующего излучения существенно превосходит ширину области непрозрачности. Для геликонного разряда это так благодаря условию , при котором ширина области непрозрачности мала даже в плазме с размерами превышающими длину волны зондирующего излучения.

Эксперименты проводились на установке HE√L Рурского университета [4] с параметрами r_p=7,4 см, L_p=200см, f_rf=13,56 МГц, n_e<2·10¹³ см^-3, T_e=3 эВ, B<0,1 T, p=0,2-5 Pa. Зондирование осуществлялось в диапазоне частот 7,5┘12,4 ГГц и мощностью около 50 мВт. Наблюдался сплошной, падающий с удалением от частоты зондирования, спектр рассеянного излучения. ⌠Красная■ часть спектра доминировала над ⌠синей■. Узкая линия на частоте ВЧ мощности отсутствовала. С помощью методики, использующей зондирование на двух частотах [5], были произведены измерения длин волн этих колебаний для различных частотных компонент. Они оказались масштаба нескольких десятых миллиметра. Работа поддержена контрактом 146 113/146 в рамках Российско-Германского сотрудничества.

Литература:

1. Plasma Phys. 26, 1147 (1984)
2. IPPJ Annual Review 63, Nagoya University (1987)
3. Plasma Phys. and Control Fusion 35, p. 357-381 (1994)
4. Int. Conf. Phenomena Ionized Gases, Warsaw, vol.1, 191 (1999)
5. 26 EPS Conf., Maastricht, vol.23J, 1805 (1999)

ВОЗБУЖДЕНИЕ МИКРОПЛАЗМЕННЫХ РАЗРЯДОВ НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ С ПОМОЩЬЮ СВЕХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПЛАЗМЕННОГО ФАКЕЛА

В.А. Иванов

Институт общей физики РАН, Москва, Россия. E-mail: ivanov@fpl.gpi.ru

    Исследуются механизмы возбуждения микроплазменных разрядов и эрозии на поверхности металлов и сплавов, взаимодействующих с горячей и плотной плазмой сверхвысокочастотного факела. Исследования выполнялись на экспериментальной установке ИВА [1], в которой для создания плазмы использовалось мощное (0,5-2 МВт) импульсное (длительностью 1- 20 мкс) сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение. Воздействие этого излучения на диэлектрические материалы в условиях высокого вакуума приводило к образованию плотной и горячей плазмы СВЧ факела с концентрацией заряженных частиц до 10¹³ см^-3 , температурой порядка 100 эВ и значительной группой ускоренных электронов с характерными энергиями в интервале значений 1-10 кэВ.
    Установлено, что взаимодействие горячей плазмы сверхвысокочастотного факела с металлами приводило сначала к возбуждению эктонов [2] и, на последующей стадии, к формированию микроплазменных разрядов. На стадии микроплазменных разрядов развиваются эффективные процессы концентрации энергии плазмы факела (и, следовательно, энергии поглощаемого плазмой СВЧ излучения) на локальных участках поверхности образцов из металлов и сплавов, что и обуславливает процессы их эрозии. Показано, что микровключения в структуре поверхностных слоев металлов и сплавов играют существенную роль в процессах локализации микроплазменных разрядов и формирования эрозионных кратеров. Показано, что возникающая в импульсной горячей плазме СВЧ факела эрозия на металлах ( титан, железо) и сплавах (алюминиевый сплав Д16 и нержавеющая сталь 12Х18Н9Т) представляет собой одиночные кратеры с характерными размерами в широком интервале значений 0.1- 100 мкм. При многократном возбуждении микроплазменных разрядов возникают скопления эрозионных кратеров, образующих макроскопические области со сплошной переплавленной поверхностью металлов и сплавов. Установлено, что в областях сплошной эрозии на поверхности некоторых металлов (титан, молибден) структура существенно изменяется, переходя в мелкокристаллическое или аморфное состояние. Определены критические параметры плазмы (концентрация электронов 2·10¹²см^-3, температура электронов 10 эВ), превышение которых приводило к возбуждению микроплазменных разрядов на поверхности различных металлов и сплавов с высокой степенью вероятности (выше 0,5). Возбуждение микроплазменных разрядов представляет интерес с точки зрения разработки технологии упрочнения изделий из металлов и сплавов. Процесс упрочнения в этом случае состоит в возбуждении импульсных микроплазменных разрядов, локализующихся на структурных нарушениях и микроскопических примесях в поверхностных слоях материалов. Многократное возбуждение микроплазменных разрядов на изделии из металла приводит к существенному снижению концентрации поверхностных дефектов и повышению прочности его поверхностного слоя.

    Работа выполнена в соответствии с программами работ по международному проекту РФФИ-ННИО ( DFG ╧_436 RUS 113544; РФФИ ╧ 99-02-04030) и Федеральной целевой программы ⌠Интеграция■ проект А-0111.

Литература

1. Батанов Г.М., Иванов В.А. Труды ИОФАН, Т.16. М.: Наука,1988. С.46-79.
2. Месяц Г.А. Эктоны. Части I-III. Екатеринбург:УИФ Наука,1993-95.

БЕЗЭЛЕКТРОДНЫЙ МИКРОВОЛНОВЫЙ ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ ФИАНИТА ZrO₂

Г.М. Батанов, В.А. Иванов, М.Е. Коныжев

Институт общей физики PАН, ул. Вавилова 38, 117942 Москва, Pоссия
Phone: +7(095)132- 8344, E- mail: ivanov@fpl.gpi.ru

    В поле импульсного микроволнового излучения исследуется безэлектродный микроволновый пробой, развивающийся на поверхности диэлектрических кристаллов двуокиси циркония ZrO₂ в вакууме. В отличие от ранее изучавшихся щелочно- галоидных кристаллов (LiF, NaCl, KCl, CsJ) кристаллы ZrO₂: ZrO₂(88%)+Y₂O₃(12%)+Cu(0,01%) имеют сложные структуру и химический состав, обладают значительной твердостью, характеризуются высокой радиационной устойчивостью и с большим трудом поддаются окрашиванию с помощью ионизирующего излучения.
    В экспериментах установлено, что порог микроволнового пробоя кристаллов ZrO₂ по интенсивности микроволнового излучения на порядок превышает порог пробоя щелочно- галоидных кристаллов (LiF, NaCl, KCl, CsJ и др.) [1- 3]. Так, при мощности падающего микроволнового излучения P ╩2 МВт время задержки пробоя кристаллов ZrO₂ составляет величинуDt ╩ 1 мкс (для случая стоячей волны моды TE₁₀ в прямоугольном волноводе).
    Обнаружено, что при микроволновом пpобое в приповерхностном слое кристаллов ZrO₂ образуются ярко светящиеся плазменные каналы. При этом вспышка свечения имеет характерное время жизни dt ╩ 0,5 мкс. Спектр этого свечения состоит из отдельных интенсивных спектральных линий, излучаемых атомами и однозарядными ионами химических элементов циркония (Zr), иттрия (Y), кислорода (O) и меди (Cu).
    После взаимодействия с последовательностью импульсных микроволновых pазpядов в приповерхностном слое кристаллов ZrO₂ обнаружены сильное окрашивание (изменение цвета) и несколько видов поверхностных и объемных разрушений твердого тела.
    Эсперименты проводились на установке ИВА, в состав которой входят: мощный импульсный магнетрон (с частотой генерации электромагнитных волн 2 ГГц, длительностью импульсов до 50 мкс, мощностью микроволнового излучения до 5 МВт), волноводный тракт с аттенюаторами для транспортировки и ослабления микроволнового излучения, вакуумная камера в виде металлического волновода пpямоугольного сечения 120╢57_мм и система безмасляной вакуумной откачки камеры до давления 1╢10 ^{- 4} Па.

    Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты ╧ 99- 02- 16424 и ╧ 99- 02- 04030).

Литература.

1. Батанов Г.М., Иванов В.А., Коныжев М.Е., Конюшкин В.А., Миров С.Б. Письма в ЖТФ, 1993. Т. 19. ╧ 20. С. 42- 45.
2. Батанов Г.М., Иванов В.А., Коныжев М.Е. Письма в ЖЭТФ, 1994. Т. 59. ╧ 10. С. 655- 658.
3. Батанов Г.М., Иванов В.А., Коныжев М.Е., Летунов А.А. Письма в ЖЭТФ, 1997. Т. 66. ╧ 3. С. 163- 167.

ГЕНЕРАЦИЯ ПОТОКА ⌠БЫСТРЫХ■ АТОМОВ ЦЕЗИЯ ПРИ МИКРОВОЛНОВОМ ПРОБОЕ КРИСТАЛЛОВ CsI

В.А. Иванов, А.А. Летунов, М.Е. Коныжев

Институт общей физики PАН, ул. Вавилова 38, 117942 Москва, Pоссия
Phone: (095)132- 8344 (8244), E- mail: ivanov@fpl.gpi.ru, letunovy@chat.ru

    Методом резонансного поглощения лазерного излучения исследован нейтральный компонент плазмы, образующейся при безэлектродном микроволновом пробое диэлектрических кристаллов [1] йодида цезия CsI в вакууме (давление 10^{- 4} Па). Источником непрерывного излучения служил перестраиваемый арсенид- галлиевый полупроводниковый инжекционный лазер мощностью ~10 мВт. Лазер позволял получать оптическое излучение в области резонансного дублета атомов цезия Cs: 8521,03 и 8521,24 Е с шириной линии генерации не более 0,02 Е (╩800 МГц). Такой доплеровский сдвиг соответствует скорости движения атомов цезия╩700 м/с. Сканирование частоты лазерного излучения синхронизировалось с импульсом микроволнового излучения и происходило со скоростями от 10 до 100 МГц/мкс.
    Микpоволновый пробой инициировался на поверхности полированных кристаллов CsI (pазмеpами 80╢10╢8 мм), которые помещались в максимум электpического поля стоячей волны типа ТЕ₁₀, возбуждаемой в металлическом волноводе пpямоугольного сечения (120╢57 мм) импульсным микpоволновым излучением магнетpона (частота колебаний 2 ГГц, мощность импульсов - до 2 МВт, длительность импульсов - до 30 мкс).
    В экспериментах лазерный пучок (диаметром 3 мм) пересекал область, занятую плазмой микpоволнового пробоя. В одних экспериментах лазерный пучок распространялся вдоль поверхности кристалла CsI на расстоянии 10 мм. При этом регистрировались атомы с различными величинами продольных и поперечных составляющих скорости. В других экспериментах лазерный пучок пересекал поверхность кристалла CsI, на которой происходил микpоволновый пробой. Это позволяло регистрировать группу атомов, имеющих максимальные продольные скорости разлета. В зависимости от направления движения атомов (в направлении распространения пучка или в противоположном направлении) наблюдался синий или красный доплеровский сдвиг спектра поглощения.
    Микроволновый пробой сопровождался образованием на поверхности кристаллов CsI ярко светящихся плазменных каналов, вытянутых вдоль вектора электрического поля микроволнового излучения. После многократных микроволновых пробоев на поверхности кристаллов CsI наблюдались также кратеры, от которых вглубь объема кристаллов ⌠прорастали■ системы ветвящихся каналов (дендриты). Обнаруженные в кристаллах CsI каналы и кратеры являлись источниками плазмы в результате локального выброса атомов и ионов вещества в вакуум.
    В плазме микроволнового пробоя, в течение десятков микросекунд наблюдалось сильное поглощение (вплоть до насыщения поглощения, т. е. ⌠отсечки■) лазерного излучения атомами цезия. На основе экспериментальных данных сделаны оценки числа атомов цезия в микроволновом разряде: полное число атомов цезия - не менее 10¹⁵, а число быстрых атомов, имеющих скорости4 км/с (т. е. энергии 10 эВ), составляло величину ~ 10¹⁴.

Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты ╧ 99- 02- 16424 и ╧ 99- 02- 04030).

Литература

1. Батанов Г.М., Иванов В.А., Коныжев М.Е. Письма в ЖЭТФ, 1994. Т. 59. ╧ 10. С. 655- 658.

ПОВЕРХНОСТНЫЙ СВЧ РАЗРЯД В СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ ВОЗДУХА

Шибков В.М., Восканян А.В.

Физический факультет МГУ им.М.В.Ломоносова, Москва

    В последнее время вновь возродился интерес к использованию в различных прикладных задачах низкотемпературной плазмы. Так, например, появилось новое направление аэродинамики - так называемая плазменная сверхзвуковая аэродинамика. В этом случае различного типа газовые разряды применяются с целью воздействия на характеристики газового потока вблизи поверхности летательного аппарата. Однако физика разряда в сверхзвуковом потоке газа к настоящему времени находится в фазе становления. Имеется много нерешенных вопросов, среди которых являются доминирующими такие задачи, как пробой в потоке газа, создание и поддержание устойчивого разряда в сверхзвуковом потоке воздуха, влияние потока на параметры плазмы газового разряда и влияние разряда на характеристики сверхзвукового потока. Первые лабораторные эксперименты показали принципиальную возможность снижения лобового сопротивления при создании разрядов постоянного и переменного токов перед телом, обтекаемым сверхзвуковым потоком воздуха. Однако электродные разряды в потоке являются неустойчивыми, пространственно неоднородны, приводят к сильной эрозии электродов и поверхности модели и надежно не воспроизводятся в различных реализациях. Появилась задача поиска оптимальных способов создания неравновесной плазмы в сверхзвуковом потоке. Одним из таких способов, предложенным в нашей лаборатории, является новая разновидность поверхностного СВЧ разряда, а именно, СВЧ разряд на внешней поверхности диэлектрического тела, обтекаемого сверхзвуковым потоком воздуха.
    В докладе рассматриваются следующие проблемы:

1. Разработка нового способа получения устойчивого, постоянно воспроизводимого, поверхностного СВЧ разряда.
2. Экспериментальная апробация нового способа создания поверхностного СВЧ разряда в пограничном слое около тела, обтекаемого сверхзвуковым потоком воздуха.
3. Изучение мощностных характеристик, определяющих порог возникновения разряда.
4. Исследование динамики развития поверхностного СВЧ разряда в воздухе.
5. Измерение пространственно-временной эволюции газовой и колебательной температур в плазме поверхностного СВЧ разряда в воздухе.
6. Определение степени влияния сверхзвукового потока воздуха на общий вид и на нагрев газа в поверхностном СВЧ разряде.

МОЩНЫЕ АБЛЯЦИОННЫЕ ПЛАЗМЕННЫЕ ПОТОКИ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ

М.Н. Казеев

РНЦ "Курчатовский Институт", Институт Ядерного Синтеза, 123182, Москва, пл. Курчатова, д.1

    Абляционные импульсные плазменные ускорители (АИПУ) производят плазменные потоки с длительностью от единиц микросекунд до миллисекунд, с минимальным диаметром╩1 см, потоком частиц до 10²⁶см^-2/с и скоростями до ╩10⁷см/с. Выбором геометрических параметров АИПУ и параметров электрической цепи можно реализовать как газодинамический, так и электродинамический режимы ускорения плазмы: В первом случае ускорение плазмы в канале ускорителя происходит за счет ее газодинамического расширения. В этом режиме магнитное давление на плазму меньше газокинетического. Исследования и разработки АИПУ этого типа основном связаны с их применениями в качестве космических электрореактивных двигателей [1]. В режиме электродинамического ускорения плазмы магнитное давление превышает газокинетическое и ускорение плазмы происходит в основном за счет пондеромоторной силы, [JH]/c.
    Мощные АИПУ работают, как правило в электродинамическом режиме, обладают достаточно высоким КПД и являются наиболее привлекательными для технологичесикх применений [2]. Достоинства при их применении в технологии определяются простотой конструкции (отсутствие в схеме быстродействующих клапанов и коммутаторов тока), возможностью быстрой регулировки параметров потока, хранением рабочего вещества в компактном виде, надежностью работы, простотой эксплуатации в производственных условиях. Параметры потока плазмы, облучающей образец, могут меняться в довольно широком диапазоне с помощью изменения напряжения источника питания, длительности импульса и расстояния от образца до источника плазмы.
    В работе рассматриваются методы применения мощных абляционных плазменных потоков для закалки, упрочнения, имплантации и изменения кристаллической структуры металлов. Приводятся параметры установок, для генерации мощных плазменных потоков в широком диапазоне параметров плазмы и времени существования плазмы. Показано, что взаимодействие импульсного потока CF₂-плазмы (на абляции политетрафторэтилена) плотностью ╩10¹⁶ - 10¹⁷см^-3, скоростью 7-9 ·10⁶см/с и временем существования 3-5 мкс с поверхностью металла приводит к существенному увеличению микротвердости некоторых стандартных сталей. Оценка параметров нагрева, плавления и испарения поверхности металла проведена на основе нелинейного уравнения теплопроводности с движущейся границей фазового раздела, с учетом зависимости скорости испарения материала от температуры. Предложена и продемонстрирована схема имплантации примесей, введенных в плазменный поток, использующая столкновение плазменного потока с частицами примеси, распределенными в пространстве в виде пылевидной структуры.

Литертура

1. N.N.Antropov, G.A.Diakonov, M.N.Kazeev, V.P.Khodnenko, V.Kim, G.A.Popov, A.I.Pokryshkin, Pulsed Plasma Thrusters For Spacecraft Attitude And Orbit Control System, 26th International Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, October 17-21, 1999, IEPC 99-192; http://www.nfi.kiae.su/pmf&pdl/Papers/RiaKiafl1e.pdf
2. http://www.nfi.kiae.su/pmf&pdl/index.htm

HARD X-RAYS ENSEMBLES ORIGINATED FROM INTERELECTRODES DUSTY MATTER IN LOW ENERGY VACUUM DISCHARGES.

^1,2Kurilenkov Yu.K., ²Skowronek M., ¹Konev Yu.B., ³Rukhadze A.A.

¹Institute for High Temperatures (IVTAN), Russian Academy of Sciences, Moscow 127 412,
²Laboratoire des Plasmas Denses, Universite P.& M. Curie, F-75252  Paris Cedex 05, France
³Institute of General Physics, Russian Academy of Sciences, Vavilova str., Moscow

    This work concerns some novel aspects of simple production of high power density matter in vacuum discharges [1]. We study the random media or ensembles of cold grains with small fraction of hot microplasmas generated in vacuum discharges by an intense energy deposition into the cold solid density, low volume dust "target" collected in interelectrode space (clusters, nucleated grains, microparticles of different size from anode material) [2]. In particular, hard x-ray emission efficiency, generation of energetic ions, trapping of fast ions or/and x-rays, and other specific features of x-rays and fast ion sources based on microplasmas ⌠dust■ are the subject of our interest.
     Few effects of high local power density were realised, that allowed to produce the different ensembles of cold grains with fraction of hot microplasmas (T ~ 1 KeV and  n_e ~10^20-22 cm^-3; particular hard x-ray image is presented below, fig.1). Hard x-ray yield registered and well reproduced in the vacuum discharges (at ~ 1J of total energy stored) is about 0.1 - 0.3%. Time of flight measurements have showing that hard x-ray production may be accompanied by energetic ions (~ 0.1 -1 MeV) like for irradiated clusters [3]. Fast ions may be trapped inside the x-ray dust "ball" interior if needed.

Fig.1. Hard x-rays from basic ensemble of cold grains - hot microplasmas .

    Thermal and suprathermal levels of x-ray emission, laser-like behaviour of potentially amplifying media of plasmas "dust" as well as x-ray trapping are considered. Last scheme have been suggested much earlier by Letokhov [4], and assumes partial "random walk" of photons inside of x-ray "ball" due to regulated level of multiple scattering and reflecting in disordered media of cold and hot "grains" of any sizes. When the volume gain overcomes the surface losses, hard x-ray burst may take place ( in terms of [5] - "random" laser, fig.2. Last CCD-camera image is much brighter than at fig.1, but correspondent PIN▓s diods intensities registered are essentially less). Note that the level of trapping in ensembles like on fig.2 may be different for different frequencies (in the total range up to ~100 keV). As in the case of optical transport in scattering media [8],  the transport velocity of x-rays photons with energies ~ 5-10 keV may be about 2-3 order of magnitude less than in vacuum. Single pass ASE [6] regime of x-ray lasing with strong anisotropy as particular case of x-ray yield is observing also.

Fig.2. Burst in the mixture of  scattering and pumping media attributed with "random"  laser. X-ray "Ball" interior may contain both partially trapped x-ray and energetic ions.

Fig.3. Partially trapped hard x-rays from "collected" ensemble. PIN's intensities a re less than on fig.1 but higher than for fig.2

    In fact, anomalous absorbing power of correlated media of dust granular matter provides higher efficiency of hard x-ray and fast ions production in comparison with laser-planer solid targets or even laser irradiated clusters [3] (in our case the estimated energy densities deposited may be up to ~10⁷ -10⁸ J/cm³ at nanosecond scale). The experiments presented with small-size hard x-ray sources probably suggest also the new opportunities for simple generation of neutrons ( with advantages similar to foam - like laser irradiated targets [7] ).
    We acknowledge partial present support of this work by Russian Foundation for Basic Research Gr. 98-02-18290, and NATO Science Program, Grants HTECH.LG 960803 and CNS 971241 at the early stage (1996 -1998 yrs).
 

1. G.A.Mesyats, D.I.Proskurovsky: Pulsed Electrical Discharge in Vacuum. Springer-Verlag (1989); G. A. Mesyats, Ectons in vacuum discharge. -M. Nauka, 2000.
2. Yu.K Kurilenkov, M. Skowronek, G.Louvet, G.Maynard, J.Dufty. XVIIIth ISDEIV, Eindhoven, The Netherlands, Proceedings, 1998, p. 390, ibid, p.653; Yu.K Kurilenkov  et al, "Suprathermal hard x-rays and energetic particles from plasmas "dust" Journal de Physique IV, 10 (2000), Pr5-409;
3. T. Ditmire et al,: Phys.Rev.Lett.  75 (1995) 3122;  Appl.Phys.Lett.  71 (1997)166.
4. V. S. Letokhov, Sov. Phys. JETP, vol. 26, no. 4, pp. 835√840, 1968;
5. D. S. Wiersma  and  A. Lagendijk Phys. Rev.E, vol. 54, no. 4, pp. 4256-4265, 1996.
6. R. C. Elton, "X-ray Lasers", New York, Academic Press, 1990.
7. С.Ю. Гуськов, Н.В. Змитренко, В.Б. Розанов. Письма в ЖЭТФ, 1997, т.66, вып.8, с.521-526.
8. M. P.van Albada, B.A. van Tiggen, Ad Lagendijk, and A.Tip. Speed of propagation of classical waves in strongly scattering media. Phys. Rev. Lett, vol.66, (1991) 3132