Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Не локальность пристеночной плазмы энергетических реакторов требует обоснования как применимости традиционных методов диагностики, так и интерпретации экспериментальных результатов. Исследовалось влияние электродов и измерительного зонда на распределения электронов по энергиям ФРЭЭ [1]. Моделирование методом Монте-Карло и зондовые измерения [2] проводились для плазмы разряда с полым катодом. Выявлены два эффекта, влияющие на вид ФРЭЭ – инструментальные искажения из-за стока электронов на зонд и необходимое для поддержания разряда поглощение электронов анодом. Оба эффекта и приводят к обеднению ФРЭЭ в области малых энергий. В рассматриваемых условиях основной вклад вносит поглощение анодом. Присутствие в плазме вторичных электронов, возникших при ионизации, приводит к уменьшению длины пространственной релаксации энергии электронов, т.е. к уменьшению области не локальности. Методом диодной лазерной спектроскопии исследованы изменения объемной плотности молекул кислорода в кварцевой газоразрядной трубке в условиях предварительной активации ее внутренней поверхности разрядом в смесях газов, содержащих кислород [3]. Показано, что для появления дополнительного кислорода в объеме после активации поверхности и вакуумирования достаточно просто введения кислородосодержащего газа. Включение разряда демонстрирует существенно различное поведение концентраций О2 при различных комбинациях плазмообразующих газовых смесей. Наблюдается большая концентрация кислорода в объеме трубки в разряде в смесях с добавлением паров воды по сравнению с остальными смесями. Это свидетельствует о наличии дополнительного канала наработки кислорода, который появляется в объеме в результате диссоциации воды. [1] S.N. Andreev, A.V. Bernatskiy, N.A. Dyatko, I.V. Kochetov, V.N. Ochkin. Measurements and interpretation of EEDF in a discharge with a hollow cathode in helium: effect of the measuring probe and the anode on the form of the distribution function // Plasma Sources Science and Technology. 2022, V. 31, No. 10, 105016 (8pp). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ac9750 [2] S.N. Andreev, A.V. Bernatskiy, V.N. Ochkin. Multichannel probe measurements in a helium plasma in a hollow cathode discharge // Vacuum. 2022, V. 206, 111514 (7pp). https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111514 [3] V.N. Ochkin, V.V. Lagunov, A.V. Bernatskiy. Influence of the surface state on the dynamics of the bulk density of O2 molecules in mixtures with inert and molecular particles in gas and glow discharge // Applied Physics B: Lasers and Optics. 2022, V. 128, No. 4, 75. https://doi.org/10.1007/s00340-022-07800-3

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1.5.1. Установка «Течь», первоначально ориентированная на спектральные исследования высокой чувствительности примесей в плазме вблизи стенок, существенно модернизирована. К уже достигнутым на предыдущих этапах проектов РНФ возможностям спектроскопии, на данном этапе добавлены глубоко проработанные на уровне новых физических результатов современные методы контактной диагностики при работе с зондами Ленгмюра. В этой части диагностика реализована в виде единого гибкого программно-аппаратного комплекса с удаленным цифровым управлением и мониторингом согласованного позиционирования координат областей диагностики в плазме и конфигурации межэлектродного промежутка, алгоритмами формирования задающих и обработки ответных информационных диагностических сигналов. Используются сборки перемещаемых с регулируемыми шагами зондов и электродов разряда, сканирующими пространство плазмы. При сохранении всех возможностей традиционной диагностики с помощью одиночного неподвижного зонда резко возрастают возможности изучения коррелированной пространственно-временной динамики плазменных параметров. Новые уникальные возможности позволяют активно продвинуться в область исследований пространственно-неоднородной плазмы. На данном этапе исследовался газовый разряд постоянного тока с полым катодом, что соответствует условиям для практического мониторинга течей молекул через первую стенку (составной бланкет) электроразрядного термоядерного реактора в процессе ее тестирования. Так, в качестве конкретного примера, был подробно исследован случай разряда в гелии в геометрии: срез полого катода и плоский сетчатый анод, расстояние Х между ними менялось от 3мм до 140мм. Давление гелия ~1Торр, ток разряда 50-100мА. Область диагностики 150х140х30мм3. Получена подробная картина распределения концентраций электронов в диапазоне 3 108см3 до 1.3 1011см3 с разрешением 3мм по каждой из осей. Установлено, в частности, что в некоторых областях сканирования плазма выходит далеко за пределы апертуры катод-анод. Параллельно определяются распределения электронов по энергиям и потенциалы плазмы. Весь цикл получения результатов 30 мин. О сопоставимых совокупных показателях диагностики в мировой практике исследований неравновесной плазмы нам не известно. Опубликовано: A.V. Bernatskiy, I.I. Draganov, N.A. Dyatko, I.V. Kochetov, V.N. Ochkin. Spatial distribution of electron concentration in a DC glow discharge supported by a hollow cathode // Plasma Chemistry and Plasma Processing https://doi.org/10.1007/s11090-023-10378-z S.N. Andreev, A.V. Bernatskiy, I.I. Draganov, V.V. Lagunov, V.N. Ochkin. Plasma potential distribution along the open side of a rectangular hollow cathode // High energy chemistry. 2023, V. 57, Supplement issue 1, P. S15-S18. https://doi.org/10.1134/S0018143923070032 1.5.2. Разработана программа расчета методом Монте-Карло энергетических распределений ФРЭЭ и транспорта электронов в газе при неоднородном вблизи анода электрическом поле. Это, в частности, позволяет рассчитывать параметры пространственной релаксации энергии инжектируемых в газ электронов, параметров электронной компоненты, их зависимостей от внешних условий. Для разряда пониженного давления предсказан эффект возникновения градиента профиля концентраций электронов в межэлектродном промежутке, связанный с поглощением электронов анодом. Эффект экспериментально подтвержден в зондовых измерениях с пространственным разрешением в разряде, поддерживаемом полым катодом. Концентраций электронов на длине промежутка могут отличаться в несколько раз. Опубликовано: S.N. Andreev, A.V. Bernatskiy, N.A. Dyatko, I.V. Kochetov, V.N. Ochkin. Study of the effect of the anode on EEDF and the spatial profile of the electron density in a discharge with a hollow cathode in helium // Plasma Physics Reports. 2023, V. 49, No. 8, P. 1031-1037. DOI: 10.1134/S1063780X23600846 https://doi.org/10.1134/S1063780X23600846 1.5.3. Изучено влияние радиуса цилиндрического зонда на результаты измерений функции распределения электронов по энергии и связанных с ней параметров плазмы. Установлено, что увеличение радиуса зонда от 20 до 200 мкм приводит к уменьшению измеряемой концентрации электронов примерно в два раза. Для объяснения полученных результатов учтены два эффекта, связанных с размером зонда и приводящих к искажению результатов измерений: сток электронов на зонд и конечность сопротивления плазмы между зондом и опорным электродом (анодом). Впервые проанализировано совместное влияние этих эффектов на результаты измерения ФРЭЭ и связанных с ней параметров плазмы. Показано, что в рассматриваемых условиях это основные эффекты, приводящие к искажениям результатов измерений с увеличением радиуса зонда. Опубликовано: S.N. Andreev, A.V. Bernatskiy, N.A. Dyatko, I.V. Kochetov, V.V. Lagunov, V.N. Ochkin. Accounting for plasma resistance in the interpretation of probe measurements in gas discharge plasma // Vacuum. 2023, V. 215, 112372 (7pp). https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2023.112372 A.V. Bernatskiy, I.I. Draganov, N.A. Dyatko, I.V. Kochetov, V.N. Ochkin. Spatial distribution of electron concentration in a DC glow discharge supported by a hollow cathode // Plasma Chemistry and Plasma Processing https://doi.org/10.1007/s11090-023-10378-z 1.5.4. Численно исследовано влияние паров воды на характеристики пространственной релаксации средней энергии электронов <u>(z) в гелии в постоянном электрическом поле. Рассмотрены, в частности, условия (Р = 1 Торр, Т = 273 К, E = 6 В/см и E = 10 В/см) при которых зависимость <u>(z) в чистом гелии имеет вид затухающих пространственных колебаний. Период пространственных колебаний приблизительно равен расстоянию, которое необходимо пройти электрону в электрическом поле, чтобы набрать энергию равную энергии возбуждения нижнего электронного уровня атома гелия. Длина пространственной релаксации L определяется из экспоненты exp(-z/L), которая описывает уменьшение амплитуды колебаний Показано, что даже небольшая добавка (0.1%) паров воды приводит к значительному уменьшению величины L. С ростом концентрации паров воды эффект усиливается, и при 3% H2O пространственные колебания практически исчезают. Выполнены расчеты <u>(z) для смеси He:(H2O:H2:O2:H), где состав атомов и молекул формируется из исходных паров воды в разрядной плазме вследствие диссоциации молекул воды и последующих плазмохимических реакций. При этом основным компонентом в этом новом составе является молекулярный водород. Показано, что с ростом исходной концентрации паров воды (и, соответственно, ростом концентрации всех компонент в конечной смеси) происходит не только уменьшение длины релаксации, но и изменяется период пространственных колебаний. Опубликовано: N.A. Dyatko, I.V. Kochetov, V.N. Ochkin. Influence of Water Vapor on the Spatial Oscillations of the Average Electron Energy // Physics of Wave Phenomena. 2023, V. 31, No. 5, P. 355-362. DOI: 10.3103/S1541308X23050023 https://doi.org/10.3103/S1541308X23050023