Исследования по физике плазмы

 
ББК 22.333 
 
И 87 
 
УДК 533.9 
 
Исследования по физике плазмы/ Под ред. В.Д. Селемира, А.Е. Дубинова. –  
Саров: РФЯЦ–ВНИИЭФ, 1998. – 371 с. – ил. – ISBN 5-85165-392-2 
 
 
 
Сборник содержит оригинальные теоретические и экспериментальные работы по различным разделам физики плазмы, 
таким как физика газового разряда, сильноточная электроника, 
диагностика и применение плазмы и др.  
Предназначен для студентов и аспирантов физических специальностей, а также для специалистов по физике плазмы. 
 
The book is a collection of original theoretical and experimental 
works on various fields of plasma physics including physics of 
gaseous discharge, high-current electronics, diagnostics and applications of plasma, etc. 
The book is addressed to undergraduate and postgraduate students 
of physical faculties as well as experts in plasma physics. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© Российский федеральный ядерный центр –  
ВНИИЭФ, 1998 
ISBN 5-85165-392-2 
 
 
 
 
 
 

 
 

К читателю 
 
 
Настоящий сборник "Исследования по физике плазмы" содержит более 
20 статей, являющихся оригинальными теоретическими и экспериментальными работами сотрудников НТЦ-1 РФЯЦ-ВНИИЭФ. Статьи в сборнике 
объединены в следующие рубрики: физика газового разряда, высокотемпературная плазма, вакуумная и плазменная сильноточная электроника, 
диагностика плазмы и сильноточных пучков, теория плазмы, применение 
плазмы. 
Тематика статей достаточно разнообразна, и заинтересованный читатель наверняка найдет полезную для себя информацию, тем более, что все 
работы - с переднего края научных исследований. 
Специалисты ВНИИЭФ и других институтов узнают, о чем думают  
и над чем работают физики НТЦ-1. 
И, наконец, собрание таких серьезных работ с высоким научным уровнем и разнообразной тематикой будет стимулировать дальнейшее продолжение исследований в области физики плазмы. 
 
 
Рецензент 
доктор физико-математических наук 
В.Б. Якубов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Предисловие 
 
 
Учеными и специалистами Научно-технического центра (НТЦ-1) физики высоких плотностей энергии и направленных потоков излучений успешно развивается ряд современных направлений. Область интересов коллектива, сформированного при жизни нашего учителя - академика Александра Ивановича Павловского - практически целиком определяется официальным названием Центра. Физика высоких плотностей энергии - один из  
наиболее динамично развивающихся разделов современной физики - требует 
сочетания глубокого научного подхода со скрупулезной инженерной проработкой технических деталей эксперимента. Такой стиль характерен для  
экспериментальных школ РФЯЦ-ВНИИЭФ и, в частности, для школы академика Павловского, именно такой стиль работы и предопределил ведущее 
место лабораторий ВНИИЭФ в ряде направлений исследований, особенно 
тех, которые требуют применения уникальной экспериментальной базы. 
 
Одним из разделов физики высоких плотностей энергии, имеющим  
самостоятельное значение, можно считать физику плазмы, так как материя  
в таких условиях почти всегда существует в плазменном состоянии. Физика 
плазмы питается новыми идеями и достижениями в технике применения 
газовых разрядов, сильноточных пучков заряженных частиц, сильных электрических и магнитных полей, интенсивных ионизирующих, лазерных  
и СВЧ-излучений.  
 
В сборнике представлены оригинальные теоретические и экспериментальные работы, выполненные в НТЦ-1 РФЯЦ-ВНИИЭФ. Статьи сборника, 
объединены общей, весьма обширной темой - физикой плазмы, включая как 
сильноточные пучки заряженных частиц - заряженную плазму, так  
и генерируемое ими излучение. 
 
Большинство работ выполнено в последнее время и ранее не публиковалось. Часть работ представляет собой обзоры на основе материалов,  
опубликованных в основном в малодоступных трудах конференций. 
 
Хотя среди авторов статей читатель не встретит имени А.И. Павловского, большинство работ развивают направления исследований, заложенные 
при его жизни. 
 
 

 

В определенном смысле этот сборник - дань уважения к памяти замечательного ученого, крупного организатора науки во ВНИИЭФ академика  
Александра Ивановича Павловского, 70-летие которого отмечалось в 1997  
году. 
 
Сборник предназначен, в первую очередь, для ученых и специалистов, 
работающих в области физики плазмы, а также для студентов и аспиран 
тов физических специальностей. 
 
 
А.Е. Дубинов 
В.Д. Селемир 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РАЗДЕЛ  1 
 
ФИЗИКА  
ГАЗОВОГО РАЗРЯДА 
 
 

 
 

УДК 537.52 
 
ИНИЦИИРОВАНИЕ НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОГО ГАЗОВОГО 
РАЗРЯДА ЭЛЕКТРОНАМИ, ЭМИТИРОВАННЫМИ 
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОМ 
 
В.А. Борисенок, Д.Р. Гончарова, А.Е. Дубинов, А.Н. Клевцов,  
В.А. Кручинин, С.А. Садовой, В.Д. Селемир 
 
 
Исследуется зажигание несамостоятельного пучково-плазменного 
разряда импульсом электронов, испускаемых сегнетоэлектриком при 
изменении его поляризации. Получено, что плотность эмиссионного 
тока достигает 700 А/см2, а разрядный ток - 1 кА. 
 
Известно, что при подаче на изначально поляризованный сегнетоэлектрический образец короткого импульса напряжения, изменяющего поляризацию образца, последний испускает избыточный поверхностный электрический заряд в виде импульсного пучка электронов [1,2]. Ток пучка при этом 
может достигать большого значения. Например, в [3] сообщается, что таким 
способом была получена плотность эмитированного тока электронов ~ 500 
А/см2, в работе [4] была достигнута частота следования импульсов электронного тока до 2 МГц. 
Столь серьезные результаты предопределяют широкую перспективу использования явления эмиссии электронов с поверхности сегнетоэлектрика в 
вакуумной электронике и, в частности, в ускорительной и СВЧ-технике [5]. 
Однако, как нам представляется, вакуумной электроникой не ограничиваются возможные применения этого явления. Укажем лишь некоторые из них: 
зажигание газовых и газотопливных смесей в двигателях внутреннего сгорания и топочных котлах, зажигание пучково-плазменного разряда в плазменно-химических реакторах и газовых лазерах, управление коммутацией в 
мощных газонаполненных разрядниках [6, 7]. 
Анализ имеющихся в литературе данных по эмиссии электронов с поверхности сегнетоэлектриков позволяет предположить, что вышеперечисленным газовым и плазменным процессам, кроме того, будут присущи интересные физические особенности, отличающие их от аналогичных процессов 
с участием электронов, инжектированных обычными электронными пушками. 

Физика газового разряда 
 
10 

Эти обстоятельства и определили цель данной работы: получение и исследование зажигания газового разряда путем инжекции в газоразрядный 
промежуток электронов, эмитированных сегнетоэлектриком. 
В работе использовались предварительно поляризованные сегнетоэлектрические образцы, изготовленные из керамики типа PLZT (цирконат титанат свинца с 8%-ным содержанием лантана), имеющие толщину 1 мм и диаметр рабочей поверхности 8 мм. На одной из сторон образца напылялась проводящая сетка из серебра толщиной ~ 1 мкм, ширина проводников сетки при 
этом составляла 200 мкм, период сетки - 400 мкм. На другой стороне образца - сплошное возжженное серебряное покрытие толщиной 5-10 мкм. Фотография образца со стороны напыленной сетки показана на рис. 1,а. 
Гистерезисная кривая одного из поляризованных образцов с поляризацией 37 мкКл/см2, снятая с помощью специального гистерезисографа, показана с отметкой амплитуды управляющего импульса Uóï ð  на рис. 1,б. 

Схема экспериментальной установки в целом показана на рис. 2,а. Она 
состоит из газоразрядной камеры, представляющей собой стеклянную трубку с внутренним диаметром 35 мм и длиной 360 мм, на концах которой расположены металлические электроды (межэлектродное расстояние 220 мм), 
источника питания для подачи постоянного напряжения на электроды камеры (плюс - на незаземленный электрод), вакуумной системы, включающей в 
себя форвакуумный насос, систему трубопроводов и блок манометров. Внутри 
заземленного электрода камеры размещается сегнетоэлектрический образец, 
сетчатой стороной обращенный внутрь газоразрядной камеры. На сплошной 
электрод образца с помощью специального импульсного генератора подается 
управляющий импульс положительной полярности с амплитудой ≥ 500 В. 
Форма этого импульса показана на рис. 3,а. 
Исследования проводились при давлении воздуха в камере 10-2÷10-1 
торр. При этих условиях пробойное напряжение в камере при стационарном 
питании ~ 2,5 кВ, после пробоя в камере самоподдерживается стационарный 
тлеющий разряд с током ~ 50 мА. 
 
 

 

Инициирование газового разряда электронами 
11

P ( . u k /C i /c . 4 })

а

б
Рис. 1. Информация о сегнетоэлектрическом образце: а - внешний вид со стороны 
сетки; б - гистерезис поляризации (С/ущ, - показано стрелками)

В экспериментах с образцами сегнетокерамики на электроды камеры 
подавалось постоянное напряжение меньше пробойного. Было обнаружено, 
что уже при напряжении на электродах ~ 500 В электроны, эмитированные 
образцом при подаче на него управляющего импульса, способны зажечь газовый разряд. Этот разряд имеет много общих черт с несамостоятельным 
импульсным пучково-плазменным разрядом. Фотография свечения разряда, 
инициированного электронами, испускаемыми сегнетоэлектрическим образцом, показана на рис. 2,6. На ней видно, что вблизи заземленного электрода 
диаметр светящегося канала примерно равен диаметру образца.
На рис. 3,б,в,г показаны типичные осциллограммы импульсов разрядного тока, напряжения на электродах камеры и интенсивности оптического свечения разряда соответственно. Как видно, эти сигналы имеют некоторые 
характерные особенности, проявившиеся в этой разновидности пучковоплазменного разряда.