В работе получил дальнейшее развитие метод плоского одностороннего зонда, позволяющий реконструировать полную функцию распределения электронов по скоростям в аксиально-симметричной неравновесной плазме с произвольной степенью анизотропии. Метод усовершенствован для диагностики плазмы без предположения какой-либо симметрии. Развита теория метода и получены аналитические соотношения, связывающие лежандровы компоненты второй производной зондового тока по потенциалу зонда и функции распределения электронов. Метод экспериментально апробирован в плазме положительного столба гелиевого тлеющего разряда. Продемонстрированы новые возможности метода по исследованию плазмы вблизи границ и получена нетрадиционная информация о процессах ухода заряженных частиц из плазменного объема на стенки.
Методом плоского одностороннего зонда впервые измерены первые семь коэффициентов разложения по полиномам Лежандра функции распределения ионов по энергиям и углам для He + в He и Ar + в Ar в условиях, когда скорость иона, приобретаемая им на длине пробега, соизмерима со средней тепловой скоростью атомов. При произвольной напряженности электрического поля в плазме найдено аналитическое решение кинетического уравнения Больцмана для ионов в собственном газе в условиях, когда доминирующим процессом является резонансная перезарядка. Учтена зависимость сечения резонансной перезарядки от относительной скорости. Показано, что вид функции распределения ионов по скоростям существенно отличается от максвелловского распределения и определяется не одним, а двумя параметрами. Результаты расчетных и экспериментальных данных, с учетом аппаратной функции метода измерений, находятся в хорошем соответствии.
Работа посвящена разработке аналитической теории для оценки пространственного распределения энерговыделения при распространении пучка быстрых электронов в газе и, в частности, в воздухе при энергиях электронов 1-100 кэВ. Развивается подход, который был применен авторами [2, 3] при рассмотрении неупругого торможения электронов в воздухе. Основываясь на том, что неупругое взаимодействие, в основном, приводит к релаксации энергии, а упругое – к изотропизации распределения по направлениям, в работе вначале решается задача о нахождении функции распределения электронов с учетом только упругих столкновений. В заключительной части нахо-дится аналитическое решение поставленной задачи с учетом обоих видов торможения электронов в воздухе. Проведенные расчеты показывают, что учет упругих столкновений приводит к росту пространственной плотности энерговыделения и сужению области, где выделяется основная энергия быстрых электронов, по сравнению с расчетами, в которых учитывается только неупругое торможение.
Работа посвящена разработке аналитической теории для расчета пространственного распределения энерговыделения при распространении пучка быстрых электронов в газе (в частности, в воздухе) с учетом неупругого взаимодействия. Рассматриваются энергии электронов 1-100 кэВ. На основании анализа данных о сечениях упругого и неупругого взаимодействия электронов с молекулами газов, содержащихся в воздухе, делается вывод о том, что неупругое взаимодействие, в основном, приводит к релаксации энергии, а упругое – к релаксации импульса. При решении кинетического уравнения Больцмана для электронов используется модельное сечение неупругих столкновений электронов с молекулами, которое обеспечивает хорошее описание экспериментально найденной энергетической зависимости массовой тормозной способности электронов. Полученные результаты для зависимости средней энергии электронов от числа неупругих столкновений находятся в хорошем соответствии с расчетами по методу разложения функции распределения по числам столкновений и решению аналогичной задачи методом Монте-Карло.
При произвольной величине электрического поля методом плоского одностороннего зонда впервые измерена функция распределения ионов по энергиям и направлениям движения для He + в He и Ar + в Ar. Эксперимент выполнен в условиях, когда скорость иона, приобретаемая им на длине свободного пробега, равна и больше средней тепловой скорости атомов и когда доминирующим процессом в плазме является резонансная перезарядка. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что в плазме самостоятельного газового разряда даже при умеренных полях, когда параметр E / P » 10¸20 В/(см·мм рт.ст.), функция распределения ионов может обладать заметной анизотропией и сильно отличаться от максвелловского распределения.
Цилиндрический зонд в анизотропной плазме позволяет измерять только чeтные компоненты разложения функции распределения электронов по скоростям. Впервые разработан метод определения нечетных моментов функции распределения путем решения системы кинетических уравнений Больцмана, связывающих между собой четные и нечетные моменты ( f 0 , f 1 ); ( f 0 , f 1 , f 2 ) и т.д. Методика апробирована в плазме низковольтного пучкового разряда в гелии. Получены экспериментальные зондовые кривые для различ-ных ориентаций цилиндрического зонда относительно оси симметрии плазмы. Рассчитаны моменты f 0 , f 2 , а момент f 1 определен с помощью решения «векторного» кинетического уравнения. Точность восстановления f 1 контролировалась по совпадению расчетной и измеренной величин разрядного тока. Экспериментальные и теоретические данные хорошо согласуются.
В работе дальнейшее развитие получил зондовый метод диагностики анизотропной плазмы. Разработаны теоретические основы метода определения полной функции распре-деления электронов по скоростям в зеркально-симметричной плазме. Для зондов различных геометрий получены аналитические соотношения, связывающие вторую производную зондового тока по потенциалу с мультипольными моментами функции распределения электронов по скоростям.
В работе представлены теоретические и экспериментальные результаты применения метода столкновительной электронной спектроскопии для анализа состава газовых смесей. Продемонстрированы возможности измерения функции распределения электронов по энергии и найдены характеристические спектры электронов для высоких давлений газа (вплоть до атмосферного). Для определения состава газовой смеси и детектирования примесей создан микроплазменный газоразрядный аналитический сенсор планарной геометрии. В послесвечении, в детекторе, наполненном гелием при высоком давлении, получены энергетические спектры быстрых электронов, образующихся при парных столкновениях метастабильных атомов и ударах второго рода с электронами. Обсуждаются особенности характеристического спектра электронов в зависимости от величины межэлектродного зазора сенсора.
Разработан метод локальной диагностики анизотропной плазмы. Представлен математический аппарат метода экспресс-анализа степени анизотропии функции распределения электронов как основной характеристики анизотропной плазмы. Показано, что степень анизотропии плазмы может быть определена только по виду кривой производной зондового тока по потенциалу зонда). Проиллюстрированы возможности метода по восстановлению полной функции распределения электронов.
Фундаментальные исследования в области плазменной энергетики открыли новую возможность достижения высокой эффективности термоэмиссионных преобразователей тепловой энергии в электрическую (ТЭП). Межэлектродная среда таких ТЭП содержит конденсат возбужденных состояний атомов цезия (КВС), состоящий из 1000 возбужденных атомов цезия, которые могут находиться в форме упорядоченного плазменного кристалла (ридберговского вещества). В лабораторных прототипах ТЭП с КВС цезия в режиме генерирования электрической энергии получено значение КПД ~25 % при температуре эмиттера ТЕ ~1600 К и температуре коллектора ТС ~700 К. Уникальное сочетание низкого значения ТЕ с высоким КПД термо- эмиссионной системы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую открывает перспективу внедрения этих систем в наземную автономную малую ядерную энергетику. Основные результаты получены совместно с ГНЦ РФ ФЭИ (Обнинск).
Представлен метод диагностики эмиссионных свойств поверхности катодов с помощью поперечного магнитного поля. В качестве одномерной модели, удобной для проведения теоретических и экспериментальных исследований, рассматривается кнудсеновский Cs-Ba-диод с поверхностной ионизацией (КДПИ).
Исследованы режимы контактной микросварки между экстрагирующими электродами и обломками эндодонтических файлов из стали и Ni-Ti-сплава. Показано, что в условиях, наиболее близких к реальным клиническим, наилучшей является последовательность нескольких сварочных импульсов с нарастанием сварочного тока. В результате достигается прочность сварного соединения на разрыв в пределах 15-50 Н, что достаточно для извлечения обломка в большинстве случаев.
Предложено устройство для измерения на постоянном напряжении основных электрических характеристик высокоомных диэлектрических материалов и изделий из них: электрической емкости и сопротивления. Принцип работы устройства основан на использовании переходных процессов в последовательно соединенных элементах, имеющих электрические емкость и сопротивление. В электрической схеме устройства используется МДП-транзистор с большим входным сопротивлением. Рассмотрено также устройство на основе МДП-транзистора для измерения поверхностного потенциала диэлектриков. Использование этого устройства особенно эффективно при измерении поверхностного потенциала электретов. Обсуждены результаты исследования электретов на основе диоксида кремния.
Представлена многопроцессорная фотоприемная ПЗС-система для работы с широким кругом спектрографов и реализации различных схем спектрального анализа вещества.
В нетрадиционных для эмиссионной электроники условиях, когда поверхность контактирует с сильноионизованной плазмой, проведены исследования эмиссионных параметров и коэффициента отражения тепловых электронов от вольфрамовых термоэмиссионных катодов. Для измерения использовались зависимости электронного тока плазменного диода от напряженности поперечного магнитного поля. Измерены параметр Dj, характеризующий неоднородность катода по работе выхода, и коэффициент отражения r 0 для поликристаллического вольфрама и грани 110 монокристалла вольфрама. Проведено разделение вклада в эффективный коэффициент отражения электронов, отраженных непосредственно от поверхности и от потенциального барьера полей пятен.
Впервые в мире разработаны методы диагностики анизотропной плазмы. Созданы современные цифровые измерительно-вычислительные комплексы, плазменные установки, приборы плазменной энергетики нового поколения и специальные математические программы для фундаментальных исследований анизотропной плазмы. Разработки СПГГИ (ТУ) используются для решения проблем плазменной энергетики.
Для оценки основных параметров коротких тлеющих разрядов предложена аналитическая модель, учитывающая как рождение электронов в катодном слое, так и нелокальную ионизацию в плазме отрицательного свечения. В отличие от традиционного, данная модель использует подход, в котором разрядный промежуток разделяется на слои объемного заряда и квазинейтральную плазму. Плазменная область включает в себя часть отрицательного свечения, фарадеево темное пространство и положительный столб. Представлены простые выражения для основных характеристик тлеющего разряда (вольт-амперных характеристик, ширины прикатодного слоя, положения точки обращения электрического поля и т.п.), а также профили распределения концентрации плазмы при отсутствии объемной рекомбинации. Полученные результаты удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, в то время как локальные приближения, основанные на классической модели Энгеля – Штеенбека, приводят к существенным расхождениям.
Проведен сравнительный анализ плазмохимических процессов в тлеющих разрядах высоких и низких давлений. На основе результатов численного моделирования определены процессы, играющие ведущую роль в формировании параметров тлеющих разрядов. Проверены соответствия между пространственным распределением основных характеристик тлеющих разрядов и распределением параметров ведущих плазмохимических процессов. A comparative analysis of the plasma-chemical process in high- and low-pressure glow discharges is presented. Processes that determine parameters of glow discharges have been determined basing on numerical simulation results. Correlations between spatial distribution of the main glow discharge characteristics and distribution of the main plasma chemical processes are presented.
Описана простая модель, позволяющая получить вольт-амперную характеристику для затрудненных тлеющих разрядов, учитывающая нелокальную ионизацию в плазме отрицательного свечения. Получены соотношения подобия, позволяющие прогнозировать основные параметры затрудненных тлеющих разрядов. Кроме вольтамперной характеристики, представлены также основные соотношения для расчета распределения концентрации электронов вдоль разрядного промежутка в плазме отрицательного свечения, распределения потенциала и напряженности электрического поля (включая точку обращения электрического поля).
Проведен комплексный анализ основных существующих методов идентификации алмазов. Показано, что высокая теплопроводность не может однозначно свидетельствовать о подлинности алмаза в связи с появлением в последнее время имитаций на основе синтетического карбида кремния. Указано на перспективность и недостаточную полноту разработки электрических методов диагностики драгоценных камней. Предложена группа новых электрических методов идентификации алмазов. Разработаны схемы для измерения больших сопротивлений, диэлектрической проницаемости и поверхностного потенциала, которые могут быть использованы для идентификации алмаза. Изготовлен работоспособный макет, испытанный при исследовании новых и известных диэлектрических материалов. Показана возможность выявления данным способом различий в электрофизических свойствах внешне идентичных материалов.
Впервые в мире разработаны магнитный и зондовый методы диагностики анизотропной плазмы. Созданы современные цифровые измерительно-вычислительные комплексы, плазменные установки, приборы плазменной энергетики нового поколения и специальные математические программы для фундаментальных исследований анизотропной плазмы. Разработки СПГГИ (ТУ) используются для решения проблем плазменной энергетики.
Исследование функции распределения электронов в анизотропной плазме выполнено с применением зондовой методики и магнитно-поляризационной техники Ханле. В гелиевом плазменно-пучковом разряде измерены моменты анизотропной функции распределения электронов, определена константа скорости разрушения выстраивания атомов гелия в состоянии 4 1 D 2 в результате столкновений с заряженными частицами. Экспериментально апробирован новый метод исследования анизотропных свойств удаленных плазменных объектов, недоступных для контактных методов диагностики. Измерены анизотропная функция распределения электронов, сечение выстраивания полных угловых моментов возбужденных атомов гелия электронным ударом и степень анизотропии электронного давления. Достоинством нового метода является прямое измерение анизотропной функции распределения электронов в удаленных плазменных объектах, оценка которой ранее осуществлялась только теоретически.
Создан метод реконструкции полной функции распределения электронов и ее угловых компонент в плазме с произвольной степенью анизотропии. Метод основан на измерении второй производной зондового тока плоского одностороннего зонда по потенциалу при различной его ориентации относительно оси симметрии плазмы. Определены оптимальные углы ориентации зонда для реконструкции угловых компонент функции распределения электронов заданного ранга. На примере модельного эксперимента продемонстрирована работоспособность метода в плазме с произвольной степенью анизотропии.
Решено кинетическое уравнение для ионов при движении в собственном газе. Показано, что распределение ионов по скоростям существенно отличается от равновесного (максвелловского). Зондовым методом исследована функция распределения ионов по скоростям в низкотемпературной плазме гелия.
