Определены температуры однозарядных и двухзарядных ионов криптона, а также электронов в зависимости от времени в токовых слоях, сформированных в 2D и 3D магнитных конфигурациях с X линией. Установлено, что максимальная температура ионов криптона более чем на порядок превышает максимальную температуру электронов, обе температуры характеризуются разной зависимостью от времени и величины продольного магнитного поля. Обнаружены быстрые, сверхтепловые потоки плазмы, направленные вдоль наибольшего из поперечных размеров токового слоя - ширины слоя, от центра слоя к периферии. Показано, что тангенциальное ускорение крипто-новой плазмы происходит под действием сил Ампера. Измеренные значения энергии ускоренных ионов криптона согласуются с оценками сил Ампера, выполненными на основе независимых магнитных измерений.
The temperatures of singly and doubly charged krypton ions, as well as electrons, are determined as a function of time in current sheets formed in 2D and 3D magnetic configurations with the X line. It was found that the maximum temperature of krypton ions is more than one order of magnitude higher than the maximum temperature of electrons; both temperatures are characterized by different dependences on time and the value of the longitudinal magnetic field. Fast, superthermal plasma flows are discovered that are directed along the largest of the transverse dimensions of the current sheet – the width of the sheet, from the center of the sheet to the periphery.
It is shown that the tangential acceleration of a krypton plasma occurs under the ac-tion of Ampère’s forces. The measured values of the energies of accelerated krypton ions agree with the estimates of the Ampère’s forces made on the basis of independent magnetic measurements.
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Физика
- eLIBRARY ID
- 44494078
Работа посвящена экспериментальному исследованию тангенциального ускорения и нагрева плазмы в токовых слоях, формируемых в магнитных полях с X линией при разряде в криптоне. На основе данных оптической спектроскопии были определены энергии направленного движения и температуры однозарядных и двухзарядных ионов криптона и электронов в различные моменты времени существования токового слоя. Температуры и энергии ускоренного движения ионов рассчитывалась по доплеровскому уширению спектральных линий ионов криптона: Kr II 473,9 нм и Kr III 501,6 нм, которые измерялись одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях по отношению к токовому слою. Температура электронов оценивалась из сопоставления времен разгорания тех же спектральных линий с временами ионизации соответствующих ионов, рассчитанными на основе экспериментальных данных о сечениях ударной ионизации, взятых из работ [20–22].
Установлено, что нагрев плазмы токового слоя начинается в начальной плазме, и продолжается в процессе формирования токового слоя. Определены максимальные температуры ионов криптона Kr II и Kr III в токовом слое: 125–95 эВ, и электронов: 5–7 эВ, при формировании токового слоя в 2D и 3D магнитных конфигурациях, соответственно. Различие в температурах электронов и ионов связано, по всей видимости, с разными механизмами нагрева. Также показано, что температуры электронов и ионов характеризуются раз-ной зависимостью от времени и от величины продольного магнитного поля. Таким образом, двухжидкостные свойства плазмы токового слоя [23, 31–33] проявляются в тепловых процессах.
Обнаружены быстрые, сверхтепловые потоки плазмы, направленные вдоль ширины токового слоя, наибольшего из поперечных размеров слоя (ось x). Ускорение плазмы происходит под действием сил Ампера, от центра слоя (x = 0) к его боковым краям. Энергия, которую могут приобрести ускоренные ионы, определяется работой сил Ампера на расстоянии, равном половине ширины токового слоя. Оценки показывают, что кинетическая энергия ионов криптона у боковых концов слоя может достигать 120 эВ, что согласуется с экспериментально измеренными энергиями ионов Kr II и Kr III в токовых слоях, формируемых в 3D магнитных конфигурациях.
При формировании токовых слоев в 2D магнитных конфигурациях энергия ускоренных ионов Kr II оказалась в 3,5 раза больше той, которую могут обеспечить силы Ампера и достигала величины 420 эВ (при температуре ионов Ti 70 эВ). Это противоречие разрешается, если учесть, что в процессе эволюции токового слоя, вследствие роста температуры электронов, ионы Kr II со временем смещаются в более холодные периферийные области слоя, где ускорение оказывается более эффективным. Связано это с тем, что силы Ампера в периферийных областях токового слоя еще достаточно велики, а концентрация ионов уже гораздо меньше, чем в центральной плоскости слоя, y = 0 [34, 35, 37]. Ионы Kr III, напротив, локализованы в центральной области токового слоя, в плотной и относительно горячей плазме, поэтому ионы Kr III ускоряются до меньшей энергии Wx 130 эВ. Таким образом, тангенциальное ускорение плазмы под действием сил Ампера при формировании токового слоя в 2D магнит-ной конфигурации в криптоне, по всей видимости, пространственно неоднородно по оси y.
Установлена последовательность процессов ускорения и нагрева в плазме с тяжелыми ионами криптона, когда токовые слои формируются с большей задержкой и гораздо медленнее, чем в более легких благородных газах (He, Ar). При формировании токового слоя в 2D магнитной конфигурации одновременно с началом про-хождения тока начинается нагрев электронной компоненты плазмы, затем происходит ускорение плазмы, и в те моменты времени, когда энергия направленного движения ускоренной плазмы достигает максимума, начинается нагрев ионной компоненты плазмы. Ионы криптона достигают максимальной температуры к моменту завершения формирования токового слоя, когда плотность плазмы в слое достигает максимальной величины.
Эти временные зависимости качественно свидетельствуют о том, что в токовом слое электроны нагреваются за счет джоулевой диссипации, а ионы – благодаря термализации скоростей плазменных течений, сгребающих начальную плазму в пределы слоя. При формировании токового слоя в 3D магнитной конфигурации ускорение и нагрев плазмы происходят в другой последовательности, которой соответствует, по всей видимости, другой механизм нагрева ионов, изучение которого – задача будущих экспериментов.
Список литературы
- Syrovatskii S. I. // Annu. Rev. Astron. As-trophys. 1981. Vol. 19. P. 163.
- Сыроватский С. И. // Астрон. ж. 1966. Т. 43. С. 340.
- Сыроватский С. И. // Вестник АН СССР. 1977. № 10. С. 33.
- Сыроватский С. И. // Изв. АН СССР: Сер. Физ. 1979. Т. 43. С. 695.
- Кадомцев Б. Б. // УФН. 1987. Т. 151. С. 3.
- Прист Э., Форбс Т. Магнитное пересоединение. – М.: Физматлит, 2005.
- Труды ФИАН / Космическая физика и физика плазмы. 2000. Т. 227. –130с.
- Сыроватский С. И. // Письма в Астрон. ж. 1976. Т. 2. С. 925.
- Somov B. V., Syrovatskii S. I. // Solar Phys. 1982. № 1/2. P. 237.
- Леденцов Л. С., Сомов Б. В. // Письма в Астрон. ж. 2016. Т. 42. С. 925.
- Франк А. Г. // УФН. 2010. Т. 180. № 9. C. 982.
- Франк А. Г., Гавриленко В. П., Кирий Н. П., Островская Г. В. ЭНТП. – М.: Янус, 2008. Серия Б. Т. III-2. C. 335.
- Кирий Н. П., Марков В. С., Франк А. Г. // Физика плазмы. 2010. Т. 36. С. 387.
- Кирий Н. П., Марков В. С., Франк А. Г. // Письма в ЖЭТФ. 2012. Т. 95. С. 14.
- Кирий Н. П., Франк А. Г. // Физика плазмы. 2012. Т. 38. С. 1042.
- Кирий Н. П., Франк А. Г., Васильков Д. Г. // Физика плазмы.2019.Т.45.С.313.
- Бейгман И. Л., Гавиленко В. П., Кирий Н. П., Франк А. Г. // Журн. прикл. спектроскопии. 1991. Т. 54. С. 1021.
- Богданов C. Ю., Бурилина В. Б., Кирий Н. П., Марков В. С., Морозов А. И., Франк А. Г. // Физика плазмы. 1996. Т. 24. С. 467.
- Воронов Г. С., Кирий Н. П., Марков В. С., Островская Г. В., Франк А. Г. // Физика плазмы. 2008. Т. 34. С. 1080.
- Mattioli M., Mazzitelli G., et al. // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2006. Vol. 39. P. 4457.
- Chung H.-K., Chen M. H., Morgan W. L., Ralchenko Y., Lee R. W. // High Energy Density Physics. 2005. Vol. 1. № 1. P. 3.
- Seaton M. J. // Planet Space Sci. 1964. Vol. 12. P. 55.
- Морозов А. И. Введение в плазмодинамику. – М.: Физматлит, 2008.
- A de Castro, et al. // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2001. Vol. 34. P. 3275.
- Грим Г. Спектроскопия плазмы. – М.: Атомиздат, 1969.
- Грим Г. Уширение спектральных линий в плазме. – М.: Мир, 1978.
- Богданов C. Ю., Дрейден Г. В., Марков В. С., Островская Г. В., Франк А. Г. // Физика плазмы. 2006. Т. 32. С. 1121.
- Брагинский С. И. Вопросы теории плазмы. Вып. 1. – М.: Госатомиздат, 1963.
- Huba J. D. NRL Plasma formulary. – Naval Research Laboratory. Washington, D.C, 2002.
- Днестровский Ю. Н., Костомаров Д. П. Математическое моделирование плазмы. – М.: Наука, 1993.
- Artemyev A. V., Petrukovich A. A., Frank A. G., Nakamura R., Zelenyi L. M. // J. Geophys. Res. 2013. Vol. 118. P. 27.
- Zelenyi L. M., Frank A. G., Artemyev A. V., Petrukovich A. A., Nakamura R. // Plasma Phys. Controlled Fusion. 2016. Vol. 58. P. 054002.
- Франк А. Г., Артемьев А. В., Зеленый Л. М. // ЖЭТФ. 2016. Т. 150. С. 807.
- Франк А. Г., Сатунин С. Н. // Физика плазмы. 2011. Т. 37. С. 889.
- Frank A. G., Kyrie N. P., Satunin S. N. // Phys. Plasmas. 2011. Vol. 18. P. 111209.
- Кирий Н. П., Марков В. С., Франк А. Г., Васильков Д. Г., Воронова Е. В. // Физика плазмы. 2016. Т. 42 (6). С. 563.
- Frank A. G., Kyrie N. P. // Plasma Phys. Reports. 2017. Vol. 43. P. 696.
- Frank A. G., Bogdanov S. Yu., Markov V. S., et al. // Phys. Plasmas. 2005. Vol. 12. P. 052316.
- S. I. Syrovatskii, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 19, 163 (1981).
- S. I. Syrovatskii, Astron. Zh. 43, 340 (1966).
- S. I. Syrovatskii, Vestnik AN SSSR, No. 10, 33 (1977).
- S. I. Syrovatskii, Izv. AN SSSR, Fiz., No. 43, 695 (1979).
- B. B. Kadomtsev, Phys. Usp. 151, 3 (1987).
- E. Priest and T. Forbes, Magnetic Reconnection (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2000).
- Trudy FIAN / Kosmicheskaya fizika i fizi-ka plasmy, No. 227, 130 (2000).
- S. I. Syrovatskii, Pis’ma Astron. Zh., 2, 35 (1976).
- B. V. Somov and S. I. Syrovatskii, Solar Phys., No. 1/2, 237 (1982).
- L. S. Ledentsov and B. V. Somov, Astron. Lett. 42, 841 (2016).
- A. G. Frank, Phys. Usp. 180, 941 (2010).
- G. Frank, V. P. Gavrilenko, N. P. Kyrie, et al., in Book: Optic Features of Low-Temperature Plasma (Yanus, Moscow, 2008) [in Russian].
- N. P. Kyrie, V. S. Markov, and A. G. Frank, Plasma Phys. Rep. 36, 357 (2010).
- N. P. Kyrie, V. S. Markov, and A. G. Frank, JETP Lett. 95, 14 (2012).
- N. P. Kyrie and A. G. Frank, Plasma Phys. Rep. 38, 960 (2012).
- N. P. Kyrie, A. G. Frank, and D. G. Va-silkov, Plasma Phys. Rep. 45, 325 (2019).
- L. Beigman, V. P. Gavrilenko, N. P. Kyrie, and A. G. Frank, Zh. Prikl. Spektrosk. 54, 1021 (1991).
- S. Yu. Bogdanov, V. B. Burilina, N. P. Kyrie, V. S. Markov, A. I. Morozov, and A. G. Frank, Plasma Phys. Rep. 24, 427 (2008).
- G. S. Voronov, N. P. Kyrie, V. S. Markov, et al., Plasma Phys. Rep. 34, 999 (2008).
- M. Mattioli, G. Mazzitelli et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 39, 4457 (2006).
- H.-K. Chung, M. H. Chen, W. L. Morgan, Y. Ralchenko, and R. W. Lee, High Energy Density Physics 1 (1), 3 (2005).
- M. J. Seaton, Planet Space Sci. 12, 55 (1964).
- A. I. Morozov, Introduction to Plasma Dynamics (Boca Raton, FL: CRC Press, 2013).
- A de Castro et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 34, 3275 (2001).
- H. R. Griem, Plasma Spectroscopy (McGraw-Hill, New York, 1964).
- H. R. Griem, Spectral Line Broadening by Plasmas (Academic Press, New York, 1978).
- S. Yu. Bogdanov, G. V. Dreiden, V. S. Markov, et al., Plasma Phys. Rep. 32, 1034 (2006).
- S. I. Braginskii, Questions of the Plasma Theory (Atomizdat, Moscow, 1963) [in Russian].
- J. D. Huba, NRL Plasma formulary (Naval Research Laboratory. Washington, D. C, 2002).
- Y. N. Dnestrovskii and D. P Kostomarov, Plasma mathematical modeling (Nauka, Moscow, 1993) [in Russian].
- A. V. Artemyev, A. A. Petrukovich, A. G. Frank, R. Nakamura, and L. M. Zelenyi, J. Geophys. Res. 118, 27 (2013).
- L. M. Zelenyi, A. G. Frank, A. V. Artemyev, A. A. Petrukovich, and R. Nakamura, Plas-ma Phys. Controlled Fusion. 58, 054002 (2016).
- A. G. Frank, A. V. Artemyev, and L. M. Zelenyi, J. Exp. Theor. Phys. 123, 697 (2016).
- A. G. Frank and S. N. Satunin, Plasma Phys. Rep. 37, 829 (2011).
- A. G. Frank, N. P. Kyrie, and S. N. Satunin, Phys. Plasmas. 18, 111209 (2011).
- N. P. Kyrie, V. S. Markov, A. G. Frank, D. G. Vasilkov, and E. V. Voronova, Plasma Phys. Rep. 42, 549 (2016).
- A. G. Frank and N. P. Kyrie, Plasma Phys. Reports 43, 696 (2017).
- A. G. Frank, S. Yu. Bogdanov, V. S. Markov, et al., Phys. Plasmas. 12, 052316 (2005).
Выпуск
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ОБЩАЯ ФИЗИКА
Иодис В. А.
Визуальные исследования процесса конденсации паров воды, этанола, хладогентов в охлаждаемых кремниевых и металлических микро- и миниканалах (обзор) 401
Воронов К. Е., Телегин А. М., Сухачев К. И., Калаев М. П.
Формы наведенного импульса в датчике микрометеороидов и частиц космического мусора 411
Гандилян С. В., Гандилян Д. В.
Некоторые вопросы обобщенного физико-математического моделирования динамических и энергетических характеристик микро- и наноэлектромеханических систем 419
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Кирий Н. П., Савинов С. А.
Спектроскопическое исследование тангенциального ускорения и нагрева плазмы токовых слоев, сформированных при разряде в криптоне 436
Фролова Ю. Л., Надирадзе А. Б., Ловцов А. С., Томилин Д. А.
Методика переноса результатов наземных измерений параметров струи стационарного плазменного двигателя на условия эксплуатации в космосе 454
ФОТОЭЛЕКТРОНИКА
Асаёнок М. А., Зеневич А. О., Новиков Е. В., Кочергина О. В., Лагутик А. А.
Реализация режима счета фотонов матричными многоэлементными лавинными фотоприемниками видимого и ближнего инфракрасного диапазонов 464
ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЁ ЭЛЕМЕНТЫ
Кузнецов П. А., Мощев И. С.
Исследование матричного фотоприемного модуля SWIR диапазона в дальномерном режиме 472
C O N T E N T S
GENERAL PHYSICS
V. A. Iodis
Visual studies of the condensation process of water vapor, ethanol, and refrigerants in cooled silicon and metal micro- and minicannels (a review) 401
K. E. Voronov, A. M. Telegin, K. I. Sukhachev, and M. P. Kalaev
Investigation of the shape of the induced pulse from the sensor of micrometeoroids and particles of space debris of ionization type with plate electrodes 411
S. V. Gandilyan and D. V. Gandilyan
Some issues of generalized physical and mathematical modeling of dynamic and energy characteristics of micro- and nanoelectromechanical systems (MEMS and NEMS) 419
PLASMA PHYSICS AND PLASMA METHODS
N. P. Kyrie and S. A. Savinov
Spectroscopic studies of the tangential acceleration and plasma heating of current sheets formed during a discharge in krypton 436
Y. L. Frolova, A. B. Nadiradze, A. S. Lovtsov, and D. A. Tomilin
Method of transferring the results of ground measurements of the plume parameters of a stationary plasma thruster to the conditions of full-scale operation 454
PHOTOELECTRONICS
M. A. Asayonok, A. O. Zenevich, E. V. Novikov, O. V. Kocherhina, and A. А. Lahutsik
Implementation of the photon counting mode by array multielement avalanche photodetectors 464
PHYSICAL EQUIPMENT AND ITS ELEMENTS
P. A. Kuznetsov and I. S. Moschev
Study of the SWIR range photodetector array module in rangefinder mode 472
Другие статьи выпуска
Представлен первый отечественный матричный фотоприемный модуль (ФПМ) SWIR диапазона для активно-импульсных формирователей изображения. В состав ФПМ входит матрица p–i–n фотодиодов на основе гетеро-структуры InGaAs/InP формата 320256 с шагом 30 мкм; большая интегральная схема считывания фотосигналов; термоэлектрический охладитель и герметичный корпус с сапфировым окном. Основной особенностью ФПМ является возможность функционирования в 3-х режимах: пассивный 2D, активно-импульсный 3D (дальномерный), асинхронный бинарный. Гибкое сочетание указанных режимов позволяет получить максимум информации о наблюдаемых объектах. Информация о дальности, формируемая в каждом пикселе ФПМ, в совокупности с яркостными сигналами, позволяет осуществить синтез 3D-изображений объектов. В работе представлены результаты исследования ФПМ, работающего в активно-импульсном 3D (дальномерном) режиме. Приводятся результаты эксперимента по созданию эффекта 3D-изображения, подтверждающие возможность ФПМ детектировать с высоким разрешением разноноудаленные объекты.
Подходы к реализации режима счета фотонов, используемые для одноэлементных лавинных фотоприемников, не в полной мере применимы к матричным многоэлементным лавинным фотоприемникам, таким как кремниевые фотоэлектронные умножители. Поэтому в статье рассмотрены особенности реализации режима счета фотонов применительно к этим фотоприемникам. Показана возможность работы в рассматриваемом режиме серийно выпускаемых кремниевых фотоэлектронных умножителей Кетек РМ 3325 и ON Semi FC 30035, а также умножителей из опытной партии, произведенной ОАО «Интеграл» (Республика Беларусь). Определены важные для реализации данного режима характеристики этих кремниевых фотоэлектронных умножителей, в частности, удельный коэффициент амплитудной чувствительности и зависимость отношения сигнал/шум от величины напряжения их питания.
Представлена методика экстраполяции угловых и энергетических характеристик ионов струи СПД, полученных в условиях стенда, на натурные условия эксплуатации. Исходными данными для экстраполяции являлись тормозные характеристики зондов-энергоанализаторов, измеренные при различных значениях давления фонового газа в вакуумной камере. Для получения достоверного результата из тормозных характеристик были исключены ионы перезарядки, образующиеся в результате взаимодействия ионов струи с частицами фонового газа, и учтено ослабление потока ионов за счет перезарядки. Полученные угловые зависимости откалиброваны по тяге. После этого зависимости плотности тока от давления при фиксированных значениях угла вылета ионов аппроксимировались полиномом второй степени. В качестве искомого значения плотности тока принималось значение аппроксимирующей функции в точке нулевого давления. В результате были получены угловые и энергетические характеристики ионов струи СПД, реализуемые в натурных условиях эксплуатации.
В работе предложен новый обобщенный подход обобщенного физико-математического и компьютерного моделирования динамических и энергетических характеристик микро- и наноэлектромеханических систем (МЭМС и НЭМС), как сложных динамических систем с бинарно-сопряженными подсистемами. На базе предложенных теоретических принципов и моделей рассматриваются возможности исследования электрофизических характеристик биологических наноструктур. Рассматриваются некоторые узловые вопросы перспективного развития МЭМС и НЭМС, если в структурах их функциональных элементов возбуждения имеются активные наноструктурированные материалы дуального назначения, в которых при отсутствии внешних электромагнитных полей наблюдаются и намагниченность, и электрическая поляризация, так называемые сегнетоэлектромагнетики.
В статье приведено краткое описание датчика микрометеороидов и частиц космического мусора ионизационного принципа действия. Предложен алгоритм определения формы наведенного импульса на основе теоремы Рамо-Шокли, возникающего на измерительных электродах при пролете заряженных микрочастиц в зависимости от траектории их полета. Показано как определить наклон пролета микрочастицы при ее движении через электроды в виде пластин.
В статье представлен обзор работ, посвященных визуальным исследованиям процесса конденсации паров воды или смеси паров воды и этанола в горизонтальных микроканалах. Микроканалы могли иметь разную форму: трапециевидную, треугольную, прямоугольную и квадратную. В исследованиях визуально наблюдались основные структуры потока, а именно: кольцевая, инжекционная, снарядная и пузырьковая. Отмечены также разновидности перечисленных структур потоков, в частности, полосово-кольцевая, гладкая кольцевая, эмульсионная, эмульсионно-кольцевая и вытянуто-пузырьковая. Приведены также результаты наблюдений конденсации потоков хладагентов HFE-7100, R134a и R1234ze(E). Выявлены схожие картины структур потока при различных соотношениях эффектов поверхностного натяжения и гравитационного воздействия. Продемонстрирована необходимость изучения структур потоков в микроканалах различной формы, вертикально и наклонно ориентированных к горизонту.
Издательство
- Издательство
- АО "НПО "ОРИОН"
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- Юр. адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- ФИО
- Старцев Вадим Валерьевич (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- orion@orion-ir.ru
- Контактный телефон
- +7 (499) 3749400