Популярное

Мифы о звукоизоляции



Как построить дом из пеноблоков



Как построить лестницы на садовом участке



Подбираем краску для ремонта



Каркасные дома из дерева


Главная » Диагностика электронного пучка

ДИАГНОСТИКА ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАПЫЛЁННОЙ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЫ

Часть II

Первая часть данной статьи распложена в нашем журнале по адресу zhurnal.ape.relarn.ru/2001 /020.pdf

М.А. Алсайед Али (ali@masa.as)

Московский физико-технический институт

4. Экспериментальные результаты при наличии разлёта порошка 4.1. Устройство для введения порошка

Введение аэрозоля в ЭП осуществлялось с помощью кюветы, имеющей форму прямоугольного параллелепипеда с размерами 120х50х80 мм и устанавливаемой в рабочей камере к ее смотровому окну боковой стенкой 120х80 мм. В двух торцевых стенках имеются соосные отверстия. Через отверстие в передней (обращенной к ВУ) стенке в кювету инжектируется ЭП, через отверстие в противоположной стенке неотрелаксировавшая часть ЭП выводится из аэрозольного облака. Одна из боковых стенок - стеклянная, остальные изготовлены из сплава д1б, подвергнутого гальваническому чернению. Такая конструкция кюветы позволяет производить фотосъемку плазмозольного облака, формирующегося внутри кюветы и исключить разбрасывание порошка по всему объему рабочей камеры. В верхней грани кюветы проделано прямоугольное отверстие, затянутое мелкой сеткой, через него в ЭП вводился А12О3. Просыпание порошка схематично показано на рис.9.


Рис.9. Схема эксперимента. ЭП-электронно-лучевая пушка, Пу-просыпное устройство, ЦФ-

цилиндр Фарадея, КС-колеблющийся сканнер.

Существующая экспериментальная установка позволяет проводить измерения функций распределения плотности тока ЭП с полным током 2-7 мА. ЭП с полным током более 10мА может повредить сканнер. Схема эксперимента приведена на рисунке9. Изменяя напряжение, подаваемое на электродвигатели сканнера или просыпного устройства, можно изменять частоту колебаний сканнера и концентрацию аэрозольного облака.

Программное обеспечение, поставляемое производителем вместе с платой АЦП ЛА-70, позволяет производить непрерывную оцифровку и запись на диск до 8 сигналов одновременно с частотой дискретизации вплоть до 75 Кгц. Далее данные обрабатываются специально разработанным программным обеспечением и результаты выводятся на монитор в виде графиков и в виде электронных таблиц сохраняются на диске. Также в комплект поставки входит программа (виртуальный осциллограф), позволяющая отображать сигналы на мониторе компьютера в режиме реального времени. Она позволяет легко провести настройку экспериментальной установки и сравнить полученные электронные осциллограммы с осциллограммами, полученными с помощью обычного осциллографа. В качестве такового использовался светолучевой осциллограф Н-177.



4.2. Динамика разлёта мелкодисперсного аэрозоля в ЭПП.

Большая часть предыдущих экспериментов была проделана с целью изучения динамики разлёта аэрозоля в ЭПП в зависимости от давления плазмообразующего газа. Для исследования формы облака ЭПП, содержащего конденсированную дисперсную фазу (облака плазмозоля), использована специальная система технического зрения (СТЗ). Система представляет собой модернизированную СТЗ, применявшуюся ранее для исследования ЭПП чистых газов. Модернизированная СТЗ позволяет также в динамике регистрировать и обрабатывать изображения облака плазмозоля в процессе его разлета.

С помощью созданной СТЗ исследованы закономерности разлета аэрозоля Al2O3 в ЭПП воздуха в следующих условиях генерации плазмы: ток пучка 1- 5 мА, энергия электронов 25 Кэв, давление плазмообразующего газа 10~3 - 5 Торр.

Установлено, что имеет место разлет частиц А12О3 в радиальном направлении, он сопровождается образованием ярко светящегося облака в зоне взаимодействия ЭП с аэрозолем и вылетом из этой зоны многочисленных светящихся частиц (рис.1 0), (рис.11 ). По мере повышения давления в камере разлет частиц ослабевал и при Р> 1 - 2 Торр прекращался.


Рис.10. Рис.11.

Снимок разлёта аэрозоли, взаимодействующей с электронным пучком Рис.12 и Рис.13 - стоп кадры из видеофрагментов, захваченных при помощи АvегМаdiа98. На них виден ЭП (горизонтальная линия), проходящий через кювету, сверху в кювету подаётся аэрозоль. Хорошо видна светящаяся область в месте пересечения пучка и аэрозоля. По форме этого образования можно судить о наличии разлёта частиц аэрозоля. По длине трека вылетающих из облака одиночных частиц можно оценить время их высвечивания - 0,1 с. Форму облака лучше исследовать по кадрам, сделанным бластером VS-54 (рис.12 и рис.13).


Рис.13.

Рис.12.

Снимок разлёта аэрозоли, взаимодействующей с электронным пучком



При обработке была встречена проблема отделения слабого свечения порошка от свечения фона. К сожалению, до конца эту проблему решить не удалось. Это может привести к некоторым ошибкам при анализе изображений, полученных при достаточно больших давлениях газа, когда интенсивность его свечения сравнима с интенсивностью свечения плазмозоля, так как в этом случае интенсивность свечения фона сильно возрастает. Отмеченная трудность не помешала определить давления, при которых разлёт исчезает. Обработанные изображения можно увидеть на рис.14. Усы , которые видны на первом кадре, свидетельствуют о наличии отклонившихся частиц, именно они придают такую форму светящемуся образованию. На втором кадре эти частицы отсутствуют, что даёт нам возможность судить о прекращении разлёта.

На основе полученных результатов можно сделать некоторые предположения о природе разлета:

Разлёт частиц обусловлен тем, что они заряжаются при попадании в ЭПП и после этого начинают отталкиваться.

Прекращение разлёта происходит из-за того, что заряд частиц стекает по плазме. Сток заряда по плазме увеличивается с повышением Р (см. Накопление заряда на макроскопическом теле внесённом в ЭПП).


I г-ч

Рис.14. Снимок разлёта аэрозоли, Усы


Рис.15. Устройство для измерения потенциала



4.3. Экспериментальные результаты по измерению зависимости потенциала частицы от давления газа в камере установки.

Следующие эксперименты проведены на установке высокого давления.

4.3.1. Накопление заряда на макроскопическом теле, внесенном в ЭПП.

Для дополнительного исследования и объяснения наблюдаемого разлёта был проведён эксперимент с внесением проводящего макроскопического тела в ЭПП (рис.15.) с целью измерения накапливаемого на нём заряда при различных давлениях. В ЭПП вводилось макроскопическое тело диаметром около 8мм, и при различных давлениях газа в рабочей камере

снимался потенциал этого тела. На рис.16 представлена зависимость ЦТ3), результаты

у

эксперимента и аппроксимация полученных результатов - функцией вида 1 / P/2. Как видно, при давлениях газа больше 1Торр. потенциал тела практически равен потенциалу плазмы, а при понижение давления потенциал резко возрастает. Величина давления в 1Торр также соответствует давлению, при котором прекращается разлёт аэрозоля в ЭПП.

500 450 400 350 300 250 200 150 100

50 0


0 2 4 6 8 101


Рис.16 Верхняя кривая: потенциал проводящего шара как функция давления газа (воздух) в камере установки при разных расстояниях z от входа пучка в камеру. Нижние кривые представляет собой

у

аппроксимацию полученных результатов зависимостью вида 1 / P2.

4.3.2. Результаты измерения распределения потенциала в камере установки от давления и от сорта газа.

Чтобы узнать потенциал каждой частицы внутри камеры, надо знать распределение потенциала в камере установки, который зависит от давления и сорта газа. Измерение



распределения потенциала было сделано с помощью специальной конструкции, которая позволяет измерять зондом (выполнена из молибдена) потенциал в точке нахождения зонда.

Конструкция, используемая для измерения потенциала.

Чтобы получить пространственный потенциал или потенциал некоторых точек внутри камеры, нужна специальная конструкция, с помощью которой можно измерить потенциалы разных точек, не открывая камеры. Для этого была изготовлена конструкция, которая позволяет измерять потенциал в полярных координатах с помощью вращательного мотора (рис 1 7).


М

1 Р

3 4 5 6 7 8 9

1-I-I-I-I-Г


Рис.17. Конструкция, используемая для измерений М- вращательный мотор. З- Зонд. NN- Ось вращения конструкции.

Процесс измерения с использованием полярных координат происходит следующим образом. Зонд движется вдоль оси z от 0 до 9 см при помощью вращательного мотора (ось z является направлением электронного пучка в камере). Зонд можно передвигать вдоль r с помощью вращения всей конструкции относительно оси NN. В результате можно измерить потенциал зонда в любой заранее выбранной точке с координатами (r, z), который предполагается равным потенциалу пространство в этой точке.

4.3.3. Результаты измерения.

Потенциал U(r,z), получен для разных газов и при разных давлениях Р в камере. Газы отличаются по атомарным весам, (легкий газ He, тяжелый СО2, воздух). В результате получается U(r, z, P, газ).

Измерение распределения потенциала как функции сорта газа делаются с целью изучения, насколько изменится потенциал частицы в зависимости от концентрации электронов плазмы. А так как последняя тоже связана с давлением газа, то надо определить, какие параметры наиболее влияют на величину потенциала.

Изучение зависимости потенциала вдоль оси z (при r=0) от сорта газа.

На оси z (ось электронного пучка) потенциал и плотность электронов в пучке достаточно высоки. Это следует из анализа результатов диагностики ЭП, сделанного выше. На рис. 1 8 представлены кривые зависимости потенциала вдоль оси z при различных газах. Видно, что

падение величины потенциала происходит по закону U ~ f (z2). Также видно, что при низких давлениях и не далеко от входа пучка в камеру потенциал в воздухе намного больше, чем потенциал в СО2. А при высоких давлениях потенциал в воздухе и в СО2 сравнимы вблизи входа пучка в камеру.



U(z,gas) y = -0,0128x2 + 0,5919x - 5,9942

2


P=7Topp

z[CM]

y = -0,001x3 + 0,0322x2 - 0,0277x - 5,6322

U(z,gas)

y = 0,0292x2 + 0,9441x - 34,491


P=1Topp

z[CM]

25 30

y = -0,001x3 + 0,0323x2 - 0,0283x - 5,6316

Рис.18. Распределения потенциала вдоль оси z (при r =0) для различных газов (СО2, воздух). Правая кривая получена при давлении 1Торр. Левая кривая получена при давлении 7Торр.

Изучение распределения потенциала в объеме камеры.

На рис.19 показаны зависимости потенциала в камере от r и z для разных газов и при разных давлениях.

В воздухе потенциал в камере всегда отрицательный. При низких давлениях (1Торр) максимальная величина потенциала ~ -30В, и тогда отрицательные заряды находятся на расстоянии г<1см не далеко от входа пучка, и на расстоянии г<Зсм далеко от входа пучка. А при высоких давлениях (7Торр) максимальная величина потенциала ~ -5В, и тогда отрицательные заряды находятся на расстоянии г<Зсм не далеко от входа пучка, и на расстоянии г<6см далеко от входа пучка.

В СО2, при низких давлениях (1Торр) максимальная величина потенциала ~ -30В, и тогда отрицательные заряды находятся на расстоянии г<1.5см вдоль всего Э.П. А при высоких давлениях (7Торр) максимальная абсолютная величина потенциала ~5В, при этом положительные заряды далеко от входа и от оси пучка <15см, г>1.5см), и тогда отрицательные заряды находятся на расстоянии г<1.5см у входа пучка >15см).

В He потенциал в камере всегда отрицательный. При низких давлениях (1Торр) максимальная величина потенциала ~ -200В, и тогда отрицательные заряды находятся на расстоянии г<1см вдоль всего пучка. А при высоких давлениях (7Торр) максимальная величина потенциала -200В, и тогда отрицательные заряды находятся на расстоянии г<1см не далеко от входа пучка, и на расстоянии г<Зсм далеко от входа пучка, где максимальная величина потенциала ~ -50В.




r(CM)

0 0,1 0,2

0,3 0,4 0rS---0 6

-

U(r, 7 Topp, He)

U(B)



0 1/ / 2 3 4 5 6 7

r(CM)


U(r,7Topp, Co2)

U(B)

-0,1

r(CM)

0 , 1 z23 0, 3 0, 5 0, 7

FT?


U(r,1Topp,Co2)

U(B)

Рис.19. Кривые потенциала как функции r и z для разных газов (Воздух, СО2, Не) и при разных давлениях.

-100

-150

-150

-200

-250

Итак, приведенные кривые показывают распределение потенциала в камере экспериментальной установки при различных параметрах.



1. Разработана установка для исследования динамики аэрозоля в ЭПП. Установка воспроизводит следующие условия генерации ЭПП: ток пучка 1 - 100 мА, энергия электронов 20 - 30 кэВ, давление плазмообразующего газа 1 0 - 50 Торр. В качестве плазмообразующих сред могут быть использованы различные газы, а также аэрозоли, содержащие мелкодисперсные порошки различных веществ.

2. С помощью созданной СТЗ исследованы закономерности разлета аэрозоля A12O3 в ЭПП воздуха в следующих условиях генерации плазмы: ток пучка 1 - 5 мА, энергия электронов 25

кэВ, давление плазмообразующего газа 1 0 - 5 Торр.

3. Исследована зависимость формы облака плазмозоля от давления плазмообразующего газа Р. Установлено, что при Р > 1 Торр разлёт аэрозоля прекращается.

4. Для объяснения наблюдаемого эффекта проведены эксперименты по исследованию потенциала U, накапливаемого макроскопическим твердым проводящим телом, внесенным в

ЭПП, в зависимости от давления плазмообразующего газа. Установлено, что и при

Р~1Торр потенциал мишени становится сравнимым с плавающим потенциалом плазмы. Найденное критическое значение давления совпадает со значением Р, при котором прекращается разлёт аэрозоля.

Обсуждение результатов.

Существующая система регистрации формы облака плазмозоля обладает существенными недостатками. Как уже упоминалось, пока ещё тяжело отличить слабое свечение порошка от свечения фона. При обработке это приводит к тому, что не всегда можно точно отделить незначительный разлёт от интенсивного свечения пучка. Так что одно из направлений дальнейших исследований - усовершенствование системы обработки изображений.

Эксперименты с другими плазмообразующими газами интересны сами по себе. Необходимо для различных газов найти давления, при которых прекращается разлёт, и проверить

зависимость 1 / у[р . Так же интересны эксперименты с аэрозолями различных размеров, плотности частиц и, что самое главное - веществ различной природы, в том числе - с высоким коэффициентом вторичной эмиссии. В этом случае можно ожидать накопление не отрицательного, а положительного заряда на частицах аэрозоля, что радикально изменит электродинамику.

В данной работе рассматривалось только облако плазмозоля, как главный объект, по которому можно судить о разлёте частиц, но на приведённых фотографиях также хорошо видны треки частиц. Сейчас по трекам тяжело определить скорость и направление движения частицы, а следовательно и параметры ЭПП. Это происходит из-за того, что съёмка ведётся с одного направления, что не позволяет судить о параметрах трека. Для решения этой проблемы можно использовать стереосъёмку - синхронную съёмку объекта с разных направлений.

Литература:

1. Алсайед Али М.А. Экспериментальное исследование запылённой электронно-пучковой плазмы. XLIII научная конференция, 24 ноября-9 декабря 2000 года. Москва-Долгопрудный. Московский физико-технический институт. Современный проблемы фундаментальных и прикладных наук, Часть III Аэрофизика и космические исследования, Стр 4.

2. Бычков В.Л., Васильев М.Н., Кортеев А.С. Электронно-пучковая плазма. -М.:Изд-во МГОУ А/О Росвузнаука (1993).

3. Vasilev M. N. Gorshkov A.V. Tomographic method for measuring distribution function in trajectory and phase space in charged partic1e beams monitors. Instruments and experimenta1 techniques, Vo1 37, No 5, Part 1, 1994.



© 2017 РубинГудс.
Копирование запрещено.