Measurement of the plasma density in two modes of pulsed discharge burning in the penning cell

The paper presents the experimental evidence of two modes of pulsed discharge burning in the Penning cell. The modes have different values of maximally reached plasma density and its dynamics change.Экспериментально зафиксировано существование двух режимов горения импульсного разряда в ячейке Пеннинга, которые отличаются друг от друга величиной максимально достижимой плотности плазмы и динамикой ее изменения.Експериментально зафіксовано існування двох режимів горіння імпульсного розряду в комірці Пеннінга, які відрізняються один від одного величиною максимально досягнутої густини плазми та динамікою її зміни

Small-size direct-action electron accelerator with a high-efficiency nanosecond plasma-current switch

The paper presents the results of a study undertaken to determine operating modes for a small-size direct-action electron accelerator with a high-efficiency nanosecond plasma-current switch (PCS). The investigations have shown that using PCS as a base it is possible to develop small-size nanosecond pulsed high-current electron accelerators with a voltage pulse sharpening coefficient of about 12, beam (flow) electron energy of 300…400 keV and current of 100 kA for pulse duration of 30 ns. The ways for improving the PCS and accelerator operating parameter stability, increasing the switching current and maximum accessible switching frequency are proposed.Представлені результати досліджень режимів роботи малогабаритного прискорювача електронів прямої дії з ефективним плазмовим комутатором струму (ПКС) наносекундного діапазону. Показано, що на основі ПКС можливе створення малогабаритних імпульсних сильнострумових електронних прискорювачів наносекундного діапазону з коефіцієнтами загострення імпульсу напруги до величини, що дорівнює 12, енергією електронів пучка (потоку) 300…400 кеВ і струмом ≈ 100 кА на протязі 30 нс. Запропоновані шляхи для підвищення стабільності робочих параметрів ПКС і прискорювача в цілому, збільшення величини струму комутації, а також шляхи зростання величини гранично можливої частоти комутацій.Представлены результаты исследований режимов работы малогабаритного ускорителя электронов прямого действия с эффективным плазменным коммутатором тока (ПКТ) наносекундного диапазона. Показано, что на базе ПКТ возможно создание малогабаритных импульсных сильноточных электронных ускорителей наносекундного диапазона с коэффициентами обострения импульса напряжения до 12, энергией электронов пучка (потока) 300…400 кэВ и током 100 кА при длительности импульса 30 нс. Предложены пути для повышения стабильности рабочих параметров ПКТ и ускорителя в целом, увеличения значения коммутируемого тока, а также пути увеличения предельно достижимой частоты коммутаций

Investigation on the possibility of determining plasma parameters by the method of low-frequency diagnostics

A possibility of determining some parameters (density, collision rate, magnetic field strength, mass-and-ion charge) of the plasma being in a magnetic field is under consideration. Peculiarities in the change of probing wave refraction and absorption values depending on the plasma parameters are investigated. Appreciation is made of the possibility for plasma diagnostics by means of probing using low-frequency electromagnetic waves with frequencies of ion-cyclotron range.Рассмотрена возможность определения некоторых параметров плазмы (плотности, частоты соударений, напряженности магнитного поля, массы и заряда ионов), находящейся в магнитном поле, за счет исследования особенностей изменения показателей преломления и поглощения зондирующей волны от этих параметров. Оценена возможность диагностики плазмы с помощью зондирования низкочастотными электромагнитными волнами с частотами порядка ионно-циклотронных.Розглянута можливість визначення деяких параметрів плазми (густини, частоти зіткнень, напруженості магнітного поля, маси і заряду іонів), що знаходиться в магнітному полі, за рахунок дослідження особливостей зміни показників заломлення і поглинання зондуючої хвилі від цих параметрів. Оцінена можливість діагностики плазми за допомогою зондування низькочастотними електромагнітними хвилями з частотами порядку іонно-циклотроних

Determining the rotational velocity of gas-metal multicomponent plasma in a reflex discharge

For the first time the rotational velocity of plasma layers with np = ncr^1,2 in the gas-metal plasma medium of the reflex discharge was determined using the two-frequency microwave fluctuation reflectometry. The measurement results demonstrated that the angular frequency of plasma layer rotation is varying and therefore the plasma rotates not as a single whole. The maximum rotation velocity increases with magnetic field increasing. The values of the electric field strength in two layers and the plasma particle separation coefficient α were determined.Впервые для определения скорости вращения плазменных слоев с np = ncr^1,2 в среде газометаллической плазмы отражательного разряда была применена двухчастотная СВЧ-флуктационная рефлектометрия. Результаты измерений показали, что угловая частота вращения плазменных слоев различна и, таким образом, плазма вращается не как единое целое. Максимальная скорость вращения увеличивается с увеличением магнитного поля. Проведены оценки величин напряженности электрического поля в двух слоях и коэффициента α разделения частиц плазмы.Вперше для визначення швидкості обертання плазмових прошарків з np = ncr^1,2 в середовищі газометалевої плазми відбивного розряду була застосована двохчастотна НВЧ-флуктаційна рефлектометрія. Результати вимірювань показали, що кутова частота обертання плазмових прошарків різна і, таким чином, плазма обертається не як єдине ціле. Максимальна швидкість обертання збільшується зі збільшенням магнітного поля. Проведено оцінки величин напруженості електричного поля в двох прошарках і коефіцієнта α розділення частинок плазми

Calculations for parameters of a stationary reflex discharge

A variant of the stationary reflex discharge model based on the global (volume-averaged) model is under consideration. The calculation is carried out on the plasma electron density and temperature as a function of the adsorbed power in the reflex discharge, magnetic field value and initial gas pressure. The density of neutral atoms and cathode material ions coming into the discharge by the cathode sputtering mechanism is determined.Рассмотрен вариант модели стационарного отражательного разряда на основе global (volume-averaged) модели. Проведен расчет зависимости плотности и температуры электронов плазмы от адсорбированной мощности в отражательном разряде, величины магнитного поля и начального давления газа. Определена плотность нейтральных атомов и ионов материала катода, поступающих в разряд за счет механизма катодного распыления.Розглянуто варіант моделі стаціонарного відбивного розряду на основі global (volume-averaged) моделі. Проведено розрахунок залежності густини та температури електронів плазми від адсорбованої потужності у відбивному розряді, величини магнітного поля і початкового тиску газу. Визначена густина нейтральних атомів та іонів матеріалу катода, що поступають у розряд за рахунок механізма катодного розпилення

Radiation of multicomponent gas-metal plasma of a pulsed reflex discharge

Measurements on the radiation flux of gas-metal plasma formed in the medium of igniting gas (gas mixture) and sputtered cathode material in the pulsed reflex discharge were carried out. A spectrometric method was applied to determine the composition of gas-metal plasma formed.Проведены измерения потока излучения газометаллической плазмы, образованой в среде поджигающего газа (газовой смеси) и распыленного материала катода, в импульсном отражательном разряде. Спектрометрическим методом определен состав образуемой газометаллической плазмы.Проведено вимірювання потоку випромінювання газометалевої плазми, утвореної в середовищі запалювального газу (газової суміші) і розпорошеного матеріалу катода, в імпульсному відбивному розряді. Спектрометричним методом визначено склад утворюваної газометалевої плазми

Comparative analysis of the refraction of microwaves at different frequencies in an inhomogeneous plasma of a high power impulse reflex discharge

The trajectories of microwave rays at 36 and 71 GHz frequencies are calculated. A time dependences of an amplitude of scattered microwave signals at 36 and 71 GHz frequencies are experimentally measured. A comparison and analysis of experimental and calculated data, which are in satisfactory agreement, has been carried out.Проведено розрахунки траєкторії мікрохвильових променів на частотах 36 і 71 ГГц. Експериментально вимірянo залежності амплітуди розсіяних мікрохвильових сигналів на частотах 36 і 71 ГГц у часі. Проведено порівняння і аналіз експериментальних та розрахункових даних, що задовільно узгоджуються між собою.Проведены расчеты траектории микроволновых лучей на частотах 36 и 71 ГГц. Экспериментально измерены зависимости амплитуды рассеянных микроволновых сигналов на частотах 36 и 71 ГГц от времени. Проведено сравнение и анализ экспериментальных и расчетных данных, которые находятся в удовлетворительном согласии

Determination of discharge gap conduction in the plasma switch

Operational analysis and the obtained results are presented for nanosecond pulsed current/voltage generators involving use of plasma switches, shortly PCS-PCI. The electrical conduction in the plasma-filled discharge gap was determined by calculations versus the plasma electron temperature, the concentration of multicharged ions and their ionization state number. Some factors affecting the conduction value of the PCS-PCI discharge gap have been established, such as the cross-section for electron scattering by the intrinsic atomic field and the electron-neutral collisions, which lead to early reduction in the PCS-PCI discharge-gap conduction before the onset of the current cut off phase.Проведено аналіз роботи і одержаних результатів генераторів імпульсних струмів і напруг наносекундного діапазону з плазмовими комутаторами (переривниками) струму ПКС-ППС. Розрахунковим шляхом визначена електропровідність розрядного проміжку, заповненого плазмою, в залежності від температури електронів плазми, концентрації багатозарядних іонів і номера їхнього іонізаційного стану. Виділені деякі фактори впливу плазмових властивостей розрядного проміжку ПКС-ППС на величину електропровідності, що зв’язані з ефективним перерізом розсіювання електронів внутрішнім атомним полем і їх зіткненнями з нейтральними частинками, які призводять до раннього зниження величини електропровідності розрядного проміжку ПКС - ППС до настання фази падіння струму.Проведен анализ работы и полученных результатов генераторов импульсных токов и напряжений наносекундного диапазона с плазменными коммутаторами (прерывателями) тока ПКТ-ППТ. Расчетным путем определена электропроводимость разрядного промежутка, заполненного плазмой, в зависимости от температуры электронов плазмы, концентрации многозарядных ионов и номера их ионизационного состояния. Выделены некоторые факторы влияния плазменных свойств разрядного промежутка ПКТ-ППТ на величину электропроводности, связанные с эффективным сечением рассеяния электронов внутренним атомным полем и их столкновениями с нейтральными частицами, которые приводят к раннему снижению величины электропроводности разрядного промежутка ПКТ-ППТ до наступления фазы обрыва тока

Propagation of multicomponent plasma oscillations along the magnetic field in the pulsed reflex discharge

The angular velocity of equal-density plasma layer rotations along the magnetic field has been measured. The values obtained in different points are similar that is in accordance with the isorotation law. It has been established that in the plasma the oscillations are propagating along the magnetic field with a velocity value close to the Alfven velocity V ~ VA.Проведены измерения угловой скорости вращения плазменных слоев одинаковой плотности вдоль магнитного поля, значения которой оказались в различных точках близкими друг к другу, что согласуется с законом изоротации. Установлено, что в плазме вдоль магнитного поля распространяются колебания со скоростью, близкой по величине к aльфвеновской скорости V ~ VA.Проведено вимірювання кутової швидкості обертання плазмових шарів однакової густини уздовж магнітного поля, значення якої в різних точках виявилися близькими одне до одного, що узгоджується із законом ізоротації. Встановлено, що в плазмі уздовж магнітного поля розповсюджуються коливання із швидкістю, близькою по величині до альфвеновської швидкості V ~ VA

Investigations on the parameters of multicomponent gas-metal plasma formed in the mixed molecular gases

Studies have been made into the parameters of dense, multicomponent gas-metal plasma formed in the operating medium consisting of molecular gases such as nitrogen and oxygen, and also, the component metal Ti. Charge and elemental compositions of the generated plasma have been determined. Measurements were taken for the parametric and time dependences of the discharge current and the average density of plasma formed in the pulsed reflex discharge.Проведено исследование параметров плотной многокомпонентной газометаллической плазмы, образованной в среде рабочего вещества, состоящей из молекулярных газов, таких как азот и кислород, а также металлической компоненты Ti. Определены элементный и зарядовый составы образованной плазмы. Измерены параметрические и временные зависимости разрядного тока, средней плотности образованной плазмы в импульсном отражательном разряде.Проведено дослідження параметрів густої багатокомпонентної газометалевої плазми, утвореної в середовищі робочої речовини, що складається з молекулярних газів, таких як азот та кисень, а також металевої компоненти Ti. Визначено елементний і зарядовий склад утвореної плазми. Виміряні параметричні і часові залежності розрядного струму, середньої густини утвореної плазми в імпульсному відбивному розряді