Введение
Импульсные плазменные потоки в плазменных ускорителях широко используются для решения ряда научных и практических задач. Особый интерес среди применений импульсных плазменных потоков представляют термоядерный синтез и астрофизические исследования, например, экспериментальное исследование взаимодействия импульсного плазменного потока с материалами. Использование потоков плазмы для конкретных применений зависит от формирования, ускорения и структуры плазменного столба, а также от геометрии системы электродов, способа заполнения и типа используемого плазмообразующего газа. Доступны различные методы диагностики плазмы для исследования структуры плазменного столба и процессов, вызванных формированием и ускорением потока плазмы. Методы делятся на контактные и бесконтактные. Диагностика импульсных плазменных потоков является сложной задачей по сравнению с диагностикой стационарной плазмы. Сложность заключается в характеристиках изучаемой плазмы, а именно: высокой скорости плазмы, кратковременных плазменных процессах, высокой температуре. Тем не менее, существуют методы диагностики нестационарных импульсных плазменных потоков, такие как зондовый, оптический и интерференционный методы. Для зондирования широко используются электрические и магнитные зонды. Применение зондовых методов диагностики ограничено возмущениями, индуцируемыми в плазме. Оптические методы имеют преимущество по сравнению с зондовыми и широко используются в диагностике. Их главным преимуществом является невозмущающий характер. В данной статье описано исследование, в котором для измерения плотности электронов была проведена оптическая и зондовая диагностика импульсного плазменного потока. Проведение такого исследования важно с научной и практической точек зрения по двум причинам: в связи с разнообразием применений плазменного потока и для понимания физики плазмы в плазменных ускорителях.
Краткий обзор экспериментальной установки
Оптическая и зондовая диагностика импульсного плазменного потока проводилась в коаксиальном плазменном ускорителе. Данная установка использует водород в качестве плазмообразующего газа. Длительность одного импульса составляет τ ~ 300 мкс. Основным рабочим блоком установки является система коаксиальных электродов. Электродная система помещена в вакуумную камеру. Давление в камере предварительно доводится до значения ~ 10-5 мм ртутного столба. Вакуумная станция для откачки воздуха из вакуумной камеры состоит из форвакуумного и диффузионного насосов. Перед инжекцией камера заполняется плазмообразующим газом. Питание экспериментальной установки осуществляется от конденсаторной батареи емкостью 1,4 мФ. Импульсный разряд в межэлектродном пространстве возникает при включении вакуумного разрядника. Плазма ускоряется в направлении выхода ускорителя с силой J × B, действующей на ток плазмы, соединяющий электроды.
Краткий обзор методов диагностики плазмы
В данном исследовании для проведения зондовой и оптической диагностики потока водородной плазмы использовались спектрометр Optosky ATP2000P со спектральным диапазоном 200-1100 нм и монохроматор M833 со спектральным разрешением 0,024 нм.
Расширение линий излучения водорода является важным инструментом для оптической диагностики плазмы. Микрополя электронов, ионов и т.д. в плазме вызывают различные типы штарковского уширения. Одно из хорошо известных штарковских уширений линий водорода, вызываемых электронами, исследовано и успешно используется на практике. Соотношение между полушириной спектральной линии и электронной плотностью задается уравнением (1). Это уравнение используется в диагностических целях для измерения плотности электронов.
Зондовые методы диагностики всегда широко использовались для изучения свойств плазменных и газовых разрядов. Данный метод подходит для локального определения плотности, температуры заряженных частиц плазмы и потенциала пространства. Распространенным также является метод зондирования с помощью тройного зонда, позволяющий измерять локальные параметры плазмы без внешней развертки напряжения, что особенно важно в случае исследования, описанного в данной статье, поскольку в импульсной плазме разряды не повторяются от инжекции к инжекции. Более того, метод тройного зонда позволяет измерять температуру и плотность электронов одновременно за одну инжекцию. Другим преимуществом данного метода является возможность получить временное распределение параметров плазмы. Принцип действия тройного зонда заключается в следующем: в исследуемой плазме расположены три одинаковых электрода. В режиме работы по напряжению между двумя датчиками подается напряжение со значением
