Исследования по физике газового разряда

 
 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ 
РФЯЦ-ВНИИЭФ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ФИЗИКЕ  
ГАЗОВОГО РАЗРЯДА 
 
Сборник научных трудов 
 
 
 
Под общей редакцией 
В. Д. Селемира и А. Е. Дубинова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров, 2003 

 

ББК 22.333 
УДК 537.52 
         И88 
 
 
 
Исследования по физике газового разряда. Сборник научных 
трудов / Под общей редакцией В. Д. Селемира и А. Е. Дубинова. – Саров: 
ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2003. – 271 с. – ил. 
 
ISBN 5-9515-0026-5 
 
 
Сборник содержит оригинальные теоретические и экспериментальные работы по физике газового разряда, включающие тлеющие, пучковые, ВЧ- и СВЧ-разряды и др. 
Предназначен для студентов и аспирантов физических 
специальностей, а также для специалистов, занимающихся 
вопросами физики плазмы. 
 
 
The book contains original theoretical and experimental 
papers on gas discharge physics, including glow, plasma-beam, 
RF- and microwave discharges, etc. 
It is intended for students and post-graduates of physical 
specialities and experts in plasma physics. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 5-9515-0026-5            © ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2003 

Предисловие 
 
Настоящий сборник содержит оригинальные статьи ученых и специалистов НТЦ-1*. Все статьи посвящены исследованиям по физике газового разряда. 
С момента выхода предыдущего сборника статей "Исследования по 
физике плазмы" (г. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1998 г.), в котором физика 
газового разряда являлась основным разделом, прошло более четырех лет. 
За это время были разработаны новые средства измерений, созданы новые 
стенды и установки, получены новые результаты.  
Физика газового разряда – один из самых важных разделов физики 
плазмы, становление которого происходило одновременно со становлением 
учения об электричестве. Но за это время интерес к газовому разряду не 
только не уменьшился, но и постоянно возрастает. Этому есть ряд причин. 
Во-первых, расширяется круг применений физики и техники газового 
разряда в различных направлениях человеческой деятельности. Физика 
газового разряда применяется при получении новых материалов, в лазерах 
и ускорителях частиц, в моделировании процессов в ближнем и дальнем 
космосе, в химии, биологии и медицине. Мы уже не мыслим коммутационную технику и светотехнику без газоразрядных приборов.  
Во-вторых, в последние годы резко возрос и качественно изменился 
уровень средств диагностики, регистрации и обработки физических процессов, что позволило достичь более глубокого понимания явлений, предсказать и открыть новые эффекты.  
В-третьих, расширились возможности вычислительной техники. Теперь многие недоступные для измерений величины можно смоделировать 
с помощью компьютерных кодов, основанных на первых принципах. 
Большинство из представленных в сборнике работ имеют привязку  
к конкретному применению. 
Сборник открывает статья Б. Г. Птицына и Е. Н. Смирнова, которая 
написана по результатам исследований, выполненных в 1979 году. В этой 
работе зафиксирован рекордный выход DD-нейтронов в плазменном фокусе – 2⋅1011 нейтронов за импульс. Статья не утратила своей актуально                                                           
* Научно-технический центр физики высоких плотностей энергии и направленных потоков излучений РФЯЦ-ВНИИЭФ. 

сти и сегодня, когда интерес к установкам на основе плазменного фокуса 
во ВНИИЭФ возрождается в связи с существенным прогрессом, достигнутым в НТЦ-1 в области взрывомагнитных источников энергии, которые 
позволяют планировать эксперименты с уровнем тока 20–50 МА. 
Развитию методов исследования плазмы газового разряда посвящены 
работы К. И. Алмазовой и др. и А. Е. Дубинова и др. В них описаны исследования плазменных струй, которые предполагается использовать  
в качестве рабочего тела сильноточных плазменных размыкателей модуля 
комплекса "Эмир". 
Большое внимание уделено способам газоразрядного инициирования 
мощных импульсов оптического излучения для создания световых источников (работа Г. М. Спирова и др.) и широкоапертурных электроразрядных 
лазеров (работа Б. В. Лажинцева и др.). В первой из указанных работ также 
достаточно большое внимание уделено возможности создания мощного 
источника воспроизводимого акустического воздействия. Вторая работа 
дает представление о развитии техники формирования газового разряда, 
предложенной и развитой сотрудниками НТЦ-1 и нашедшей широкое применение при создании ряда лазерных устройств не только в этом Центре, но 
и в наиболее близких к практическому применению разработках ИЛФИ 
ВНИИЭФ. 
Традиционно в НТЦ-1 занимаются исследованиями физики пробоя.  
В статье А. А. Волкова и др. приведено описание стенда СКВИН-1 и методики экспериментов по исследованию механизмов пробоя воздушных 
промежутков. Анализируются результаты исследований при времени нарастания импульсов от 30 до 400 нс, полученные как экспериментальными, так и расчетными методами. Исследованию пространственной структуры токовых каналов высоковольтного диффузного разряда посвящена 
работа П. Б. Репина и А. Г. Репьева. Интересные результаты исследования 
вольерного разряда содержатся в работе А. О. Бакумова и др. 
Перспективными с точки зрения практического применения представляются исследования электрического разряда вдоль поверхности диэлектрика с большим значением диэлектрической проницаемости ε (статья С. В. Булычёва и др.), а также цикл статей С. Н. Буранова и др., уже 
сегодня послуживших научной базой для создания прибора, используемого практической медициной, – аппарата озонотерапевтического низких  
и средних концентраций. Близки к практическому применению исследования, проведенные еще в одной работе Буранова С. Н. и др. Полученные  
в ней результаты по стерилизации позволили сделать существенное про

движение вперед в области исследований, в которой работают представители многих школ газового разряда. 
Одна из проблем реализации сверхмощных приборов релятивистской 
СВЧ-электроники связана с развитием пучкового и СВЧ-пробоя. Исследованиям этой актуальной проблемы посвящены статья А. Е. Дубинова и др. 
и статья И. Д. Дубиновой и А. Е. Дубинова. 
В последнее время широкое внимание уделяется исследованиям запыленной плазмы. Происходящие в ней процессы определяют многие 
космические эффекты, влияют на технологию производства микросхем и, 
как стало понятно в последнее время, могут играть существенную роль  
в инерциальном термоядерном синтезе. В НТЦ-1 интерес к этим исследованиям имеет достаточно большую историю. В частности, здесь впервые 
экспериментально удалось продемонстрировать притяжение одноименно 
заряженных макротел в плазме (работа выполнена совместно с ИОФ 
РАН). В сборнике представлены экспериментальные исследования коллективных эффектов в запыленной плазме (С. В. Булычёв и др.) и некоторые 
результаты исследования электродинамики запыленной плазмы (А. Е. Дубинов и А. А. Тренькин).  
Сборник может быть полезен студентам-физикам, аспирантам и специалистам, работающим в области мощной электрофизики, физики плазмы и ускорительной техники.  
 
 
 
В. Д. Селемир, А. Е. Дубинов  
 

УДК 533.952 
 
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОГО ФОКУСА* 
 
Б. Г. Птицын, Е. Н. Смирнов 
 
Исследована работа установки на основе плазменного фокуса для двух камер 
мейзеровского типа, значение подводимой энергии варьировалось от 10 до 367 кДж. 
Измерено активное сопротивление плазменной оболочки на стадиях коаксиального 
движения и радиального сжатия, проведена оценка степени ионизации, температуры 
и концентрации плазмы. Определены условия возникновения нейтронного и рентгеновского излучения. Максимальный выход нейтронов составил 1,2⋅1011 нейтронов за 
импульс при заполнении камеры дейтерием. 
 
 
Введение 
 
В последние годы вновь обострился интерес к установкам на основе 
плазменного фокуса (ПФ). Это объясняется тем, что в ПФ получены рекордные значения плотности частиц, температуры и плотности энергий. 
Установки с плотным ПФ выделяются в настоящее время среди термоядерных установок по интенсивности нейтронного и рентгеновского излучения, а также высокими значениями параметра nτ . Однако до сих пор 
окончательно не установлен механизм генерации излучения. Хотя доминирующими являются две гипотезы нейтронной эмиссии: "термоядерная", 
при которой нейтроны генерируются изотропно распределенными ионами, и пучок-мишенная, в которой нейтроны производятся монохромати
ческим пучком ионов ( E
E
Δ
 >> 1), взаимодействующим с неподвижным 

газом. 
В большинстве установок использовалась (d;d) реакция. Некоторые 
эксперименты показали, что выход нейтронов увеличивается в 50–100 раз, 
как и ожидалось для 10–12-кэВ ионов, если использовать (d;t) реакцию. 
Наибольший выход нейтронов 1013 нейтр./имп. [1] для (d;d) реакции получен во Фраскати. 

                                                           
* Работа выполнена в 1979 году и публикуется впервые. 

В настоящей работе исследования были проведены на двух камерах 
РК-200 (внешний диаметр катода 200 мм) и РК-450 (внешний диаметр  
450 мм). На основе анализа электротехнических характеристик разряда 
приведены оценки основных параметров ионизованного газа в камере, 
трансформируемой энергии в ПФ на различных этапах ее эволюции  
и причин возникновения нейтронной и рентгеновской эмиссии. 
 
Постановка экспериментов 
 
Разрядный контур 
 
Экспериментальный стенд для лабораторных исследований ПФ представляет собой сильноточный разрядный RLC контур, состоящий из конденсаторной батареи, вакуумного разрядника, кабельной линии передачи 
энергии и нагрузки (рис. 1). 
Установка собрана из 200 конденсаторов типа ИМ-30-3, объединенных в четыре секции по 50 конденсаторов в каждой, общая емкость  
150 мкФ и рабочее напряжение 35 кВ. Энергия батареи составляет  
367 кДж. В каждой секции в качестве коммутатора использован вакуумный разрядник. Рабочее давление в разряднике составляет ~10-3 торр  
и поддерживается форвакуумными насосами ВН-2МГ с азотными ловушками. К каждому насосу подключены два разрядника. Соединение батареи 
с разрядником выполнено коаксиальным кабелем РК-50-11-13, а разрядников с разрядной камерой кабелем КВИ-150. В качестве зарядного устройства применен выпрямитель ВС-50-50. Паразитная индуктивность  
L = 32·10-9 Гн при характерном времени разряда 5·10-6 с и токе (1–2,2)·106 А. 
Активное сопротивление контура составляет 2·10-3 Ом. 
 
Разрядные камеры 
 
Целью эксперимента было исследование разрядной камеры (рис. 2), 
предложенной Мейзером [2], с ограниченным внешним диаметром 200 мм. 
Камера представляет собой систему коаксиальных электродов и внешнего 
кожуха 4, внутренний электрод (анод) 1 имеет длину 140 мм и диаметр 
120 мм, катод 2 имеет внутренний диаметр 160 мм и наружный 180 мм. 
Толщина катода определяется нагрузками, возникающими в момент разряда, прозрачность катода составляет 50 %. В качестве изолятора использована керамическая труба 3 толщиной 8 мм и длиной 125 мм. Изоляция 
высоковольтных частей камеры осуществлена при  помощи  полиэтилено- 

8

Рис. 1. Схема эксперимента: 1 – плазменный фокус; 2 – анод; 3 – катод; 4 – изолятор; 5 – делитель напряжения;
6 – пояс Роговского; 7 – конденсаторная батарея; 8 – схема пуска; БПР – блок пуска разрядника

Рис. 2. Вид разрядной камеры: 1 – анод; 2 – катод; 3 – керамическая труба; 4 – внешний кожух;
5 – полиэтиленовый изолятор