КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

НазваниеРазработка методов количественной оптической спектроскопии неравновесной многокомпонентной пристеночной плазмы реакторов

РуководительОчкин Владимир Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук, г Москва

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (35)

Аннотация
Предлагается развитие в решении комплексной задачи диагностики неравновесной неоднородной плазмы разряда в атомно-молекулярных газах. Исследования проводятся в условиях, характерных для пристеночного слоя плазменных реакторов различного назначения, с акцентом на энергетический токамак ИТЭР. В рамках проекта РНФ № 19-12-00310 (2019-2021г.г.) решалась задача о мониторинге молекул воды, проникающий в плазму из контура охлаждения и утилизации тепла, что приводило бы к сбою работы ректора. По этой причине в ТЗ на разработку ИТЭР сформулировано условие о недопустимости течей с потоками более 10-7 Па∙м3∙с-1. При этом вопрос о средствах мониторинга таких потоков был оставлен открытым, поскольку таковых на момент формулировки ТЗ (2001г) не было. Задача рассматривалась нами при работе по проекту РНФ № 19-12-00310. Она решалась на лабораторном комплексе, включающем возможности зондовой, эмиссионной и лазерной абсорбционной спектроскопии. Был предложен метод мультиспектральной оптической актинометрии МСА для (с учетом объема плазменной камеры ИТЭР) детектирования потоков на уровне (10-9-10-13) Па∙м3∙с-1. Такой результат был достигнут при воспроизведении условий пристеночной плазмы в лабораторных условиях на специально созданной установке «Течь». Это, в свою очередь, открыло возможность контролировать множественные «предтечи» в реальном реакторе. Возможность их локализации определяется, с одной стороны, соотношением скоростей разрушения молекул воды и диффузии, с другой – возможностями сканирования первой стенки реактора оптической системой. И то и другое для ИТЭР реально, т.е. принципиально поставленная разработчиками реактора задача, с утилитарной точки зрения, была решена. При этом, однако, особенно в последний год выполнения проекта, возникли новые вопросы, важные для диагностики плазмы в более широком физическом смысле. Было, в частности, установлено, что кинетика электронов в неоднородной плазме существенно не локальна и это влияет на механизмы формирования оптических спектров. При пониженных давлениях ~1 мбар область не локальности может быть сравнима с размерами малых реакторов или с толщиной пристеночного слоя «больших» реакторов. Более определенно сказать пока сложно, поскольку, это зависит от конкретных условий. До настоящего времени вопросы не локальности электронов плазмы рассматриваются (активно с 1980-х годов) теоретически на базе уравнения Больцмана и результаты зависят как от используемого приближения теории, так и от достоверности многочисленных входных данных об элементарных процессах (и их полноты). Экспериментальные свидетельства о не локальности также известны уже давно, но они носят качественный характер и к ним трудно апеллировать, переходя к конкретным условиям. Для изучения этой ситуации нами уже в 2021 году предприняты шаги по модернизации созданного в рамках завершавшегося проекта диагностического комплекса. В части эмиссионных экспериментов сконструировано разрядное устройство на базе уже имеющегося в установке «Течь», но допускающего перемещения. Это позволит проводить спектральные измерения с пространственным разрешением. В части абсорбционных лазерных измерений предусмотрена реализация двухканального детектирования для параллельных измерений концентраций пар молекул в многокомпонентной плазме. Усилена часть, связанная с зондовой диагностикой. Во-первых, на базе созданных оригинальных одно-зондовых схем с уникальным динамическим диапазоном измерений распределений электронов по энергиям ~104, разработаны схемы с несколькими зондами для изучения пространственных эволюций электронных спектров. Во-вторых, предусмотрен учет искажений экспериментальных результатов при возмущении плазмы за счет стока электронов из плазмы на зонд (самостоятельная, широко обсуждаемая, но не решенная пока проблема). Достигнуты существенные продвижения в теоретическом сопровождении экспериментов. Разработаны программы для моделирования плазмохимических процессов на базе большого числа реакций с участием атомов, молекул и ионов совместно с локальным уравнением Больцмана для электронов. Для описания не локальной кинетики разработана программа прямого моделирования Монте-Карло. Эти и ряд других научно-технических заделов весьма целесообразно было бы реализовать как продолжение завершающегося проекта РНФ № 19-12-00310.

Ожидаемые результаты
Будут развиты методы спектроскопии малых составляющих неоднородной неравновесной плазмы, учитывающие, в том числе, наличие нелокальных механизмов формирования спектра свободных электронов и оптических спектров. Исследования будут проводиться в условиях, характерных для пристеночных зон плазменных реакторов. В рамках этой общей проблемы диагностики плазмы будут решены следующие согласованные между собой задачи и получены результаты: - создание спектроскопического комплекса на основе абсорбционных и эмиссионных методов диагностики неоднородной плазмы разрядов в атомно-молекулярных газах; - создание методов и аппаратуры для зондовых измерений распределений электронов по энергиям с пространственным разрешением в динамическом диапазоне ~104 и нахождении из них основных макроскопических параметров плазмы (концентрации электронов, потенциал плазмы, средние энергии, энерговклад…); - исследованы пространственные эволюции и корреляции электронных и оптических спектров в неоднородной плазме с проявлениями не локальности; - создание лазерного абсорбционного спектрометра с внешним оптическим резонатором для измерения концентраций молекулярных газовых составляющих плазмы, в том числе в режиме параллельных каналов детектирования; - исследовано влияние возмущений плазмы на результаты зондовой диагностики, связанных с явлением стока электронов на зонд, предложены методы их учета и коррекции; - исследованы примеры влияния гетерогенных процессов на формирование химического состава плазмы; - развиты методы моделирования плазмохимических процессов с акцентом на разряды во влажных инертных газах; - на основе прямого моделирования Монте-Карло исследованы явления пространственных осцилляций энергий электронов и их затухания, установления границ не локальности. Планируемые результаты представляют фундаментальный физический и прикладной интерес для разработок и эксплуатации различных плазменных реакторов, включая энергетические типа токамаков ИТЭР и др.

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

Публикации

1. Андреев С.Н., Бернацкий А.В., Драганов И.И., Кочетов И.В., Очкин В.Н. Local plasma parameters, atom concentrations, and absolute luminescence intensities in the discharge supported by a hollow cathode Plasma Physics Reports, т. 48, № 11 (год публикации - 2022).

2. Андреев С.Н., Бернацкий А.В., Драганов И.И., Кочетов И.В., Очкин В.Н. Electron parameters and absolute glow intensities in a discharge supported by a hollow cathode in mixtures of helium and water vapor Proceedings of the X International Conference "Plasma Physics and Plasma Technology" (PPPT-10). Minsk "Kovcheg", P. 239-242 (год публикации - 2022).

3. Андреев С.Н., Бернацкий А.В., Драганов И.И., Кочетов И.В., Очкин В.Н. Влияние паров воды на эмиссионные спектры и характеристики электронов разряда с полым катодом в гелии Тезисы докладов школы молодых ученых «Быстропротекающие электровзрывные, электронные и электромагнитные процессы в импульсной электронике и оптоэлектронике» БПИО-2022. М.: Типография "11-й ФОРМАТ", С. 30-34 (год публикации - 2022).

4. Андреев С.Н., Бернацкий А.В., Дятко Н.А., Кочетов И.В., Очкин В.Н. Specific features of probe measurements of EEDF near the anode Proceedings of the X International Conference "Plasma Physics and Plasma Technology" (PPPT-10). Minsk "Kovcheg", P. 243-246 (год публикации - 2022).

5. Андреев С.Н., Бернацкий А.В., Дятко Н.А., Кочетов И.В., Очкин В.Н. 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, V. 31, No. 10, 105016 (год публикации - 2022).

6. Андреев С.Н., Бернацкий А.В., Очкин В.Н. Multichannel probe measurements in a helium plasma in a hollow cathode discharge Vacuum, V. 206, 111514 (год публикации - 2022).

7. Андреев С.Н., Бернацкий А.В., Очкин В.Н. Метод очистки поверхности зонда Ленгмюра комбинацией ионного и электронного токов Современные средства диагностики плазмы и их применение: Сборник тезисов докладов XIII Конференции. М.: НИЯУ МИФИ, С. 21-24 (год публикации - 2022).

8. Волкова А.И., Лагунов В.В., Очкин В.Н. Количественные оптические методы при быстрой регистрации спектров поглощения Тезисы докладов школы молодых ученых «Быстропротекающие электровзрывные, электронные и электромагнитные процессы в импульсной электронике и оптоэлектронике» БПИО-2022. М.: Типография "11-й ФОРМАТ", С. 21-25. (год публикации - 2022).

9. Лагунов В., Очкин В., Волкова А. Determination of particle concentrations from absorption spectra with fast frequency tuning Abstracts of the 29th International Conference on Advanced Laser Technologies, С. 192 (год публикации - 2022).