Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
(ФТИ им. Иоффе РАН)

194021, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26
Лаборатория Физики низкотемпературной плазмы
Бакшт Федор Григорьевич
Тел.: (812) 515-91-22
Факс: (812) 515-67-47
e-mail: baksht@mail.ioffe.ru 

Объёмно-плазменная генерация высокой концентрации ионов Н^-в низковольтном разряде

Ранее авторами было предложено использовать для создания объёмно-плазменного источника (ОПИ) ионов Н^- низковольтный (НВ) разряд. Ионы Н^- генерируются в НВ разряде вследствие диссоциативного прилипания (ДП) электронов к колебательно возбуждённым (v ≈ 4-8) молекулам Н₂ . В качестве такого разряда был теоретически и экспериментально изучен НВ цезий-водородный разряд , в котором цезий является ионизующейся примесью. В разряде была достигнута как высокая концентрация электронов (n_e ~ 10¹⁴ cm^-3), так и оптимальная электронная температура T_e ≈ 1 eV, соответствующая максимальным значениям констант K_v(T_e) скоростей ДП. При этом катодное падение напряжения было ограничено условием φ₁ ≤ E_d/e, E_d ≈ 8,8 eV – порог прямой диссоциации молекул Н₂ электронным ударом из основного состояния. Выполнение последнего условия приводит к сравнительно малой концентрации атомов Н в плазме, что значительно улучшает (по сравнению с обычно используемым высоковольтным разрядом) колебательную функцию распределения молекул Н₂ так как атомарный водород обладает исключительно большими константами v-t обмена с молекулами Н₂ .

В ряде случаев, однако, использование цезия в качестве ионизующейся присадки в плазме ОПИ является нежелательным. В связи с этим встает вопрос о замене цезия другой ионизующейся присадкой, например инертным газом ксеноном, или о создании чисто водородного ОПИ ионов Н^-. В настоящее время создана теория НВ ОПИ ионов Н^-, использующего ксенон-водородный разряд. Условия горения НВ разряда выбраны так, что температура электронов в плазме (T_e ≈ (1-2) eV) недостаточно высока для того, чтобы существенную роль играла ионизация водорода. Такой разряд оптимизирован: найдены оптимальное полное давление плазмы и оптимальный состав смеси Хе-Н₂ (сооветствующие значения концентраций компонент N_Xe ~ N_H2 ~ 10¹⁵ cm^-3) для получения максимального значения концентрации N_H-(L) ионов Н^- в прианодной плазме. Расчёты выполнены для межэлектродного расстояния L = 1 cm, тока эмиссии катода j_es = 10 A/cm² (катод из LaB₆), температуры катода Т₁ = 1900К, анода – Т_а = 600К. Полученные значения N_H-(L) превышают 10¹² см^-3. Как показывает расчёт, оптимизация цезий-водородного разряда в аналогичных условиях приводит примерно к вдвое большему значению N_H-(L) при полной концентрации введенного в разряд цезия N_Cs⁽⁰⁾ ~ 10¹⁴cm^-3. Таким образом, показано, что при соответствующей оптимизации концентрации присадки – ксенона и соответствующем выборе напряжения горения в ксенон-водородном НВ разряде можно получить концентрацию ионов N_H-(L) в прианодной области плазмы не сильно отличающуюся от той, которая достижима в настоящее время в цезий-водородном НВ разряде. Работа выполняется совместно с Физико-техническим центром ФИАН (г.Протвино). [1-3]      

Вакуумный дуговой разряд в магнитном поле

Работы, как и в предшествующий период, проводились по двум направлениям: исследования сильноточных дуг в условиях, характерных для вакуумных дугогасительных камер, и слаботочных дуг с одиночным катодным пятном.

1. Результаты исследований, выполненных нами ранее, показали, что дуги со средней плотностью тока J≤ 3 kA/cm² могут быть эффективно стабилизированы аксиальным магнитным полем с индукцией B≤ 0,4 T. Указанная плотность тока долгое время считалась предельной для отключения с помощью вакуумных дугогасительных камер. В работах, выполненных в нашей лаборатории совместно со специалистами предприятия Таврида Электрик – основного отечественного разработчика и производителя вакуумной коммутационной аппаратуры, была обоснована возможность повышения предельной отключаемой плотности тока до J~5-6 kA/cm². Естественно, появился интерес к исследованиям сильноточной вакуумной дуги, подвергнутой воздействию значительно более сильных магнитных полей.

Поэтому в прошедшем году основные усилия были направлены на разработку и создание нового экспериментального стенда, в котором была бы обеспечена возможность проводить измерения в полях с индукцией B~1 T. Стенд был изготовлен и опробован. Проведены измерения магнитных полей, показавшие возможность создавать однородные магнитные поля с индукцией B≤ 1,2 T в объёме с характерным размером ~10cm. В настоящее время проводятся запланированные исследования дуг с высокими плотностями тока.

2. Исследования слаботочных дуг, подверженных одновременному воздействию аксиального B_n и тангенциального B_t полей с независимо варьируемой индукцией (то есть полей, в которых абсолютное значение вектора индукции B и его наклон к плоскости катода варьируются в широких пределах), позволили получить ряд результатов приоритетного характера. При исследовании динамики катодного пятна (КП) обнаружено, что скорость ретроградного движения КП (то есть движения под действием только тангенциального поля) существенно зависит от степени эрозии поверхности катода. При воздействии на дугу магнитного поля, имеющего обе компоненты, вектор скорости поворачивается на некоторый угол φ, называемый углом Робсона. Как показали наши измерения, модуль вектора скорости при этом определяется лишь тангенциальной компонентой и практически не зависит от значения аксиальной компоненты поля. Это противоречит широко распространенному мнению, что аксиальное поле значительно замедляет движение КП. Ошибочные представления, как теперь стало понятно, появились в результате неправильной трактовки результатов измерений скорости расширения катодной привязки после поджига сильноточной дуги, стабилизированной аксиальным магнитным полем. Впервые получены данные по углу Робсона на композиционных материалах.

Измерения напряжения горения слаботочной дуги показали, что при увеличении индукции тангенциального поля B_t постоянная составляющая напряжения и уровень его шумов значительно растут. Увеличение индукции аксиального поля B_n при фиксированном значении B_t приводит к быстрому снижению как напряжения, так и уровня шума, а, когда B_n достигает значения B_n≥ αB_t (α ~1,5 при длине дуги h=4 mm), напряжение дуги  выравнивается с напряжением, соответствующим B_t = 0. Другими словами, с ростом B_n зависимости U(B_n) при различных значениях B_t сходятся к единой кривой и имеют характерную V-образную форму, аналогичную форме Вольт-Тесловой характеристики (ВТХ) сильноточной дуги (ВТХ -зависимость напряжения на сильноточной дуге с фиксированным током, помещённой во внешнее аксиальное магнитное поле, от индукции этого поля). [4-9]

Импульсно-периодический разряд в цезии как эффективный источник света

В лаборатории проводится теоретическое исследование импульсно-периодического разряда (ИПР) в парах цезия. Рассматриваются режимы горения, в которых разряд может служить эффективным источником видимого излучения. Показано, что такие режимы реализуются при давлении p~1 atm, радиусе трубки  R ~2 mm , частоте следования импульсов тока ν~1000 Hz , скважности ~15 , максимальном токе I_max=10÷100 A. В этих условиях температура на оси разряда достигает 5000÷6000 К, концентрация плазмы  n_e ~10¹⁷÷10¹⁸ cm^-3 и оптическая толщина столба плазмы близка к единице для всего видимого диапазона спектра. Плазма ИПР находится при этом в состоянии ЛТР. Самосогласованная модель разряда включает в себя систему уравнений многокомпонентной радиационной газодинамики и граничные условия к ней. При рассмотрении радиационного теплообмена интегрировалось уравнение переноса излучения и вычислялась дивергенция потока излучения. Моделирование ИПР позволило провести всестороннее изучение процессов, протекающих в разряде. Показано, что важным преимуществом пульсирующего режима питания, в сравнении со стационарной дугой, является наличие дополнительного параметра – продолжительности (скважности) импульса тока. Использование этого параметра позволяет управлять тепловым режимом горелки и тем самым снижает требования, предъявляемые к буферному газу: его роль сводится в основном к обеспечению первоначального пробоя газоразрядного промежутка. Это позволяет отказаться от использования ртути в источниках света, использующих ИПР. Исследована зависимость светотехнических характеристик разряда от его параметров. Практически во всех режимах горения разряд обладает высоким качеством цветопередачи: общий индекс цветопередачи составляет R_a ~ 90÷95 , а световая отдача имеет плавный максимум в диапазоне  I_max = 20÷60 А и достигает значения  η ~ 78 lm/W. [10-12]

Разряд с жидкими неметаллическими электродами

Результаты, полученные нами ранее при изучении разряда с жидкими неметаллическими электродами, показали, что с помощью этого разряда можно генерировать сильно неравновесную плазму воздуха с высокой концентрацией химически активных радикалов при давлениях до атмосферного и выше. В последнее время нами был исследован разряд с жидким катодом из водопроводной воды и металлическим анодом в открытом воздухе и проанализированы результаты воздействия такого разряда на поверхностные загрязнения катодной жидкости различными нефтепродуктами (дизельное топливо, два вида смазочных масел).

 Измерены вольтамперные характеристики и  зависимость плотности тока в катодной привязке от тока при 20 £ I £ 300 mA и различных длинах разряда h=2-10 mm. Измерения показали, что при h ≥ 4 mm и I ≥ 120 mA плотность тока и напряжения горения не зависят от тока разряда, что характерно для нормального тлеющего разряда. Полученные результаты позволили выбрать оптимальные режимы, в которых было исследовано воздействие разряда на электродную жидкость.

Обнаружено, что поверхностные загрязнения катодной жидкости нефтепродуктами под действием разряда частично разлагаются, а частично перерабатываются. Продукт переработки легко удаляется с поверхности жидкости механически. Эффективность очистки жидкости может достигать 98%. Оценены удельные энергозатраты, требующиеся для очистки жидкости, в зависимости от желаемой степени очистки. Анализ продуктов переработки показал, что наиболее вероятно они представляют собой полимерные цепи, существенно различающиеся по длине и структуре, в которых присутствуют кислородосодержащие группы. [13]

 

Применение цезиевой низковольтной дуги в качестве выпрямляющего элемента

Продолжались (совместно с ФГУП «Красная Звезда» и ГНЦ РФ–ФЭИ) работы по созданию полномасштабного демонстрационного макета ТЭП-выпрямителя мощностью ~1kW с газовым подогревом, поддерживаемые грантом МНТЦ.

В ТЭП-выпрямителях используются уникальные коммутирующие свойства цезиевой низковольтной дуги (обеспечение токов в десятки А/cm² при падении напряжения на электродах всего лишь  ~0,5 V) для создания эффективных низковольтных сильноточных выпрямителей для гальваники. В таких выпрямителях термоэмиссионный элемент используется в двух функциях – и как вентиль с нулевым прямым падением напряжения, обеспечивающий 100% электрический КПД выпрямления, и как генератор собственной электрической мощности, которая выделяется на той же нагрузке, на которую работает выпрямитель. В результате, прохождение тока в ТЭП-выпрямителе обеспечивается за счет тепловой энергии, подводимой к катоду (большая часть которой может быть легко утилизирована в том же гальваническом производстве), тогда как во всех существующих вентилях на это затрачивается часть выпрямляемой электрической энергии.

Работы проводились в двух направлениях. С одной стороны, это эксперименты по исследованию работы лабораторных макетов ТЭП в различных режимах выпрямления ( в том числе и на реальную электролитическую ванну), которые подтвердили основные представления об особенностях работы ТЭП в этих условиях и позволили внести необходимые коррективы в полномасштабный макет. Это направление включало исследование возможностей фазовой (широтно-импульсной) регулировки выпрямленного постоянного напряжения. Это необходимо для программного управления процессом гальванического покрытия и осуществлялось за счет регулирования  момента поджига дугового разряда. Оказалось, что такая регулировка возможна в достаточно широком диапазоне напряжений. Второе направление включало успешную разработку конструкции полномасштабного макета ТЭП-выпрямителя, включая систему эффективного разогрева катодов газовыми горелками.

Следует особо отметить, что в связи с успехами в вакуумной электронике и в микротехнологиях в последние годы возродился определенный интерес к исследованиям в области наземных применений ТЭП в качестве высокотемпературной надстройки к паросиловым электростанциям. Так как такие термоэмиссионные элементы могут быть непосредственно использованы для ТЭП-выпрямителя, это открывает для них дополнительную область применения. Причем порог их рентабельности при таком применении в несколько раз ниже благодаря дополнительному выигрышу от устранения потерь выпрямляемого напряжения, а стоимость ресурсных испытаний и технологической отработки изделий для массового производства (чрезвычайно высокая для надстроек для электростанций) ниже на порядки. Поэтому успехи в создании ТЭП-выпрямителей должны решающим образом сказаться и на перспективе использования ТЭП в большой энергетике.   

1. F.G. Baksht, V.G.Ivanov, S.M. Shkol’nik, M. Bacal, Proc. Int. Vacuum Congress (Venice, Italy, July 2004, to be published in Plasma Processes and Polymers).

2. F. Baksht, V. Ivanov, S. Shkol’nik and, M. Bacal, Proc. 10th Int. Symposium on the Production and Neutralization of Negative Ions and Beams (Kiev, Ukraine, September 2004, to be published in AIP Conference Proceedings).

3. Ф.Г. Бакшт, В.Г. Иванов, Физика плазмы, 2005, т.31, №6, с.572-576 (в печати).

4. К.К. Забелло, Ю.А. Баринов, А.А. Логачев, А.М. Чалый, С.М. Школьник, Материалы Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП-2004)(Петрозаводск, Россия, июнь 2004), т.2, с.52-57.

5. А.А. Логачев, К.К. Забелло, А.М. Чалый, С.М. Школьник, ФНТП-2004 (Петрозаводск, Россия, июнь 2004), т.2, с.47-52.

6. K.K. Zabello, Yu.A. Barinov, A.A. Logatchev, S.M. Shkol’nik, ISDEIV XXI (Yalta, Crimea, September 2004), vol.1, p.280-283.

7. S.M. Shkol’nik, V.P. Afanas’ev, Yu.A. Barinov, A.M. Chaly, A.A. Logatchev, S.I. Malakhovsky, I.N. Poluyanova, K.K. Zabello, ISDEIV XXI (Yalta, Crimea, September 2004), vol.1, p.160-165.

8. M. Shkol’nik, V.P. Afanas’ev, Yu.A. Barinov, A.M. Chaly, A.A. Logatchev, S.I. Malakhovsky, I.N. Poluyanova, K.K. Zabello, IEEE Trans. Plas. Sci., 2005, v.33, №5 (в печати).

9. K.K. Zabello, Yu.A. Barinov, A.M. Chaly, A.A. Logatchev, S.M. Shkol’nik, IEEE Trans. Plas. Sci. 2005, v.33, №5 (в печати).

10. Ф.Г. Бакшт, В.Ф. Лапшин, Письма в ЖТФ, 2004, т.30, вып.24, с.70-76.

11. Ф.Г. Бакшт, В.Ф. Лапшин, ФНТП -2004 (Петрозаводск, Россия, июнь 2004), т.1, c.56-61.

12. Ф.Г. Бакшт, В.Ф. Лапшин, А.С. Шиман, Светотехника, 2005, №3 (в печати).

13. Ю.А. Баринов, В.Б. Каплан, С.М. Школьник, ФНТП-2004 (Петрозаводск, Россия, июнь 2004), том 1, с.198-202.