Диссертация (1105074), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Задачу удается решить лишь численно. Однакоосновные физические черты механизма поглощения ВЧ-мощности примагнитных полях более 10 Гс можно проиллюстрировать с помощьюразвитого в [45] геликонного приближения, описывающего процессвозбуждения волн в плазмы при условии выполнения неравенств:c2k 2Le2 1 ,2Le2  2   2 2 2  1 ,e c 2 k z2e c k z(1.3)где  - частота поля, kz ~1/L и k ~1/R – продольная и поперечная компонентыволнового вектора, e и Le – циклотронная и ленгмюровская частоты,36k 2  k z2  k2 , k z n, k  n , n=1, 2, 3,…, n - корни функции Бесселя, R и LLR– радиус и длина источника.Система уравнений Максвелла для ВЧ-полей, возбуждаемых в плазмеазимутальным током амплитуды I0, текущим по боковой поверхностицилиндрического источника, выглядит следующим образом: 1  rE   2 E  Ez  0,r r rc r(1.4)1  g 1 r Ez  k z*2 || Ez  k zrE ,r r r  r r (1.5)гдеk k *2z2z2c2,   k 2*24g24 *2ck, cgkz.k z*2(1.6)Граничные условия при этом имеют вид:E ( z ) |z 0  0,Ez( z ) |z 0  4 ic2 RqI 0 .(1.7)Выполнение неравенств приближения (1.3) приводит к тому, что последнимчленом левой части уравнения (1.4) можно пренебречь.

В этом случае спомощью уравнения (1.4) и граничных условий можно вывести азимутальноеэлектрическое поле геликона. В результате математических выкладокдисперсионное соотношение для геликона приобретает следующий вид:k1J1(k1R) K1 (k z R)  k z J1 (k1R) K1(k z R)  0,(1.8)где J и K – функции Бесселя и Макдональда. При этом для характерныхразмеров источника плазмы решение уравнения (1.8) с хорошей степеньюточности выражается в виде1k12 R 2   (n  )2 , где n=1, 2, 3,…2(1.9)То есть, возбуждение геликона носит резонансный характер, а резонансныезначения магнитного поля или концентрации электронов могут быть найденыиз соотношения:37Le2  2 R 2ck2 2 2ez 2 R22L1  2 (n  )22(1.10)Вследствие слабой диссипации энергии геликонного поля в плазме, привозбуждении объемных геликонных волн в удлиненном источнике плазмы,поля Eh и Erh в резонансе становятся достаточно большими и служатисточникомвозбужденияленгмюровскойволны.вплазмеПоследняяпотенциальногообладаетполязначительнокосойбольшимкоэффициентом затухания.

Полные поля при этом являются суммойгеликонного и косого ленгмюровского полей. Наличие в источнике плазмыактивно затухающих в объеме за счет черенковского поглощения связанныхэлектростатических колебаний (косых ленгмюровских волн) со значительнойкомпонентой Ez позволяют описать результаты экспериментов, выполненныхпри низких давлениях. В последующих работах [39,42] было показано, чтовклад косой ленгмюровской волны в поглощение ВЧ мощности являетсяопределяющим при концентрациях электронов менее 31012 см-3 и давленияхменее 10 мТор [42]. Резонансное возбуждение объемных волн, при которомпроисходит проникновение ВЧ полей в плазму, сопровождается нагревомэлектронов во всем объеме плазмы, что указывает на высокие перспективыиспользования разряда в технологических приложениях.В 1999 году Ф.

Чен признал, что механизма поглощения геликона дляобъяснения аномально высокого поглощения ВЧ мощности в плазмегеликонного источника недостаточно. В своей статье с Д. Блэквеллом [47] Ф.Чен указал, что, хотя в источнике наблюдается присутствие группыускоренных электронов, их концентрация слишком мала для объяснениянаблюдавшейся ионизации. Напротив, хорошее согласие с поглощением ВЧмощностиистепеньюионизациипоказалатеория,предполагавшаяпоглощение косой ленгмюровской волны в приграничной области источникаплазмы.

В работе Д. Арнуша [109] было показано, что, хотя учет косойленгмюровской волны и не вносит значимых изменений в волновую картину,38рассмотрение косой ленгмюровской волны оказывает значительное влияниена значения продольного волнового числа, а также на радиальный профильпоглощения ВЧ мощности в источнике плазмы.Экспериментально возбуждение в геликонном источнике косойленгмюровской волны было подтверждено в работе [110] на основанииизмерения высокочастотного тока Jz и магнитного поля Bz с помощьюминиатюрного пояса Роговского и магнитного зонда, помещенных в плазму.Сравнениеизмеренныхвеличинсрасчетнымипозволилосделатьоднозначный вывод о существовании косой ленгмюровской волны в разряде.В последние годы картина физических процессов в геликонныхисточников постоянно развивается.В цикле работ Е.Е. Скима [111-116] были рассмотрены различныеэффекты, связанные с параметрическим распадом электромагнитныхколебаний в геликонных источниках.

В ходе работ было показано, что занагрев ионов в источнике плазмы ответственны не их столкновения, нопрямое взаимодействие с волной на нижней гибридной частоте. Ионныйнагрев вблизи нижней гибридной частоты за счет взаимодействия смедленной продольной волной является одним из наиболее очевидныхдоказательств параметрического распада волн в геликонном источникеплазмы.В работах [117-118] было показано, что при использовании длинногоисточника плазмы с рабочими частотами и величинами внешнего магнитногополя, соответствующими возбуждению косой ленгмюровской волны, нарасстоянии нескольких десятков сантиметров от антенны на оси источниканаблюдается пик концентрации электронов, связанный с формированиемионно-звуковойпараметрическойнеустойчивости,возбуждаемойпервичными электромагнитными колебаниями.

При этом расположениемаксимума плотности, предсказанное теорией, получило хорошее согласие сэкспериментом [119].39Дальнейшиеисследования[120]подтвердили,чтовразряденаблюдается параметрический распад возбуждаемых электромагнитныхколебаний на нижнюю гибридную волну и ионный звук. Наиболее сильноданный эффект проявляется на оси источника, при этом величина амплитуд,возбуждаемых вследствие параметрического распада волн может достигать8% от амплитуды волны накачки.

Взаимодействие же параметрическивозбуждаемых колебаний с заряженными частицами в свою очередь можетприводить к увеличению плотности плазмы, а также к росту электронной иионной температур.Экспериментальные исследования параметрического распада такженаблюдались в импульсной гелиевой плазме геликонного источникакосмического двигателя VASIMR [121].Методика скоррелированного СВЧ зондирования позволила в 2005году М. Крамеру [122] экспериментально зафиксировать коротковолновыефлуктуации в поверхностных слоях плазмы геликонного источника приконцентрациях ne1013 cм-3. Полученные результаты позволили выделитьнизкочастотныефлуктуации,соотносенныесионнымзвуком,распространяющиеся преимущественно в приповерхностных слоях плазмы, ивысокочастотные, отнесенные к косым ленгмюровским волнам, фазоваяскорость которых была направлена в центр, а групповая скорость – кповерхности.

Обнаруженные низко и высокочастотные флуктуации имелихорошее согласие с условиями параметрического распада геликонной волнынакачки. В дальнейших работах [123] М. Крамер продолжил изучатьпараметрический распад геликона на косую ленгмюровскую волну и ионныйзвук, получив хорошее совпадение теоретически предсказанных пороговыхзначений неустойчивости и её скоростей нарастания с экспериментальнонаблюдаемыми. Полученные в ходе работы оценки эффективных частотстолкновений, описывающих аномально высокое поглощение ВЧ мощностиплазмой, оказались достаточными, чтобы учесть сильное поглощение,наблюдаемое в геликонных источниках плазмы. Параметрический распад и40ионный нагрев коротковолновыми флуктуациями также рассматривался и вболее поздних работах [124].Наконец, можно отметить направление исследований группы Е.

Скимас использованием методики двухфотонной флуоресценции, позволяющейизмерять распределение концентрации нейтралов в источнике [125-127]. Врамках экспериментов группой было показано, что при увеличении внешнегомагнитного поля с 600 до 1200 Гс для мощности от 600 Вт при 13.56 МГц иот 800 Вт при 11 МГц профиль плотности нейтралов в плазме меняется сдостаточно равномерного по радиусу распределения на резко очерченныйпрофиль с полным отсутствием нейтралов на оси. Последнее в свою очередьобъясняет эксперименты, в которых при указанных условиях наблюдаласьярко синяя плазменная область на оси устройства.В целом необходимо отметить, что в ходе сравнения результатовисследованиясвойствгеликонныхисточниковнеизбежновозникаюттрудности, связанные с их большой зависимостью от конструкцииэкспериментальной установки и внешних условий [38,91,128].

Характеристики

Список файлов диссертации