В настоящее время в ряде ионных электронно-циклотронных резонансных (ЭЦР) источников для создания и нагрева плазмы используется мощное микроволновое излучение современных гиротронов. Вследствие большой мощности излучения такие системы работают в основном в импульсном режиме. Этот тип ионных ЭЦР-источников был разработан в Институте прикладной физики Российской академии наук, и большая часть экспериментальных исследований была выполнена на установке SMIS 37. Для создания плазмы на SMIS 37 использовались гиротроны с частотами 37,5 и 75 ГГц и максимальными мощностями 100 и 200 кВт, соответственно. Такое микроволновое излучение позволяло создавать плазму с уникальными параметрами: электронной плотностью более 1013 см–3, электронной температурой 50–300 эВ, ионной температурой около 1 эВ. Принципиальное отличие этих систем от традиционных ЭЦР-источников состоит в реализации так называемого квазигазодинамического режима удержания плазмы в ловушке. В соответствии с режимом удержания такие источники были названы «газодинамическими ЭЦР-источниками». В этих системах время жизни плазмы обычно составляет несколько десятков микросекунд, что в сочетании с высокой электронной концентрацией приводит к формированию плазменных потоков из ловушки с плотностями до 1–10 А/см2. Была продемонстрирована возможность создания пучков МЗИ (азот, аргон) и протонных (дейтронных) пучков с токами на уровне сотен мА при среднеквадратичном нормализованном эмиттансе порядка 0,1 ×мм×мрад. Следующим шагом в исследованиях является переход к непрерывному режиму работы газодинамического ионного ЭЦР-источника (ЭЦР ИИ). С этой целью в ИПФ РАН создаётся новая экспериментальная установка. Для получения плазмы в будущем источнике будет использоваться излучение гиротронов на частотах 28 и 37,5 ГГц. В настоящей работе дан обзор полученных результатов и состояния дел по монтажу нового источника.
Разработано устройство для рафинирования металлургического кремния в плазме электронного пучка в сверхзвуковом потоке газа. Представлено описание и демонстрация возможностей электронно-пучкового метода и плазмы на его основе для удаления примесей из металлургического кремния в условиях форвакуумного диапазона давлений. На лабораторном оборудовании получены образцы кремния в варианте окислительного рафинирования с использованием паров воды.
Установлена возможность применения открытого коаксиального СВЧ-резонатора, как элемента инжектора потока плазмы с ускоренными ионами. Представлены схема плазменного инжектора, состоящего из открытого коаксиального резонатора и дополнительного кольцевого электрода, а также характерные зависимости спектров энергии ионной компоненты плазмы от потенциала на кольцевом электроде для фиксированных значений массового расхода газа (аргон) и вводимой в резонатор СВЧ-мощности.
Проведены исследования по воздействию микроволнового излучения на какаовеллу молотую с целью антимикробной обработки продукта. Показано, что при удельной мощности 0,15 кВт/кг на частоте 2,45 ГГц достаточно 20 мин экспозиции СВЧ для подавления роста плесневых грибов и дрожжей, но недостаточно для полной инактивации бактериальных спор. Данный вид обработки можно рекомендовать для деконтаминации какаовеллы с преимущественным загрязнением плесневыми грибами.
Проведено рафинирование металлургического кремния в электронно-пучковой плазме паров воды. Основой метода является перевод трудно испаряемых в вакууме примесей в их легколетучие соединения в химически активной окислительной электронно-пучковой плазме. При электронно-пучковом рафинировании кремния в плазме паров воды при температуре образца 1430 С произошло удаление основных металлических примесей.
Исследовано влияние температуры расплава металлургического кремния на эффективность плазмохимической очистки с использованием электронного пучка.
При плазмохимическом рафинировании протекают следующие процессы: испарение легколетучих примесей за счет быстрого разогрева металлургического кремния с помощью электронного пучка; перевод трудно испаряемых в вакууме примесей в их легколетучие соединения в химически активной окислительной электронно-пучковой плазме.
Установлено, что удаление разных групп примесей необходимо проводить при разных температурах в диапазоне 1300–1900 °С.
Исследовано влияние внешнего магнитного поля с индукцией менее 150 Гс на картину вложения мощности в маломощный индуктивный разряд и на структуру продольных ВЧ-полей в плазме разряда. Показано, что вложение ВЧ-мощности в разрядную плазму, а также распределения амплитуды и фазы продольной компоненты магнитного ВЧ-поля вдоль оси системы немонотонно зависят от величины магнитного поля.
Представлены результаты исследования уноса материалов (эрозии) наиболее тепло-напряженных узлов трехфазного плазмотрона переменного тока «Звезда» мегаватт-ной мощности: электродов и конфузоров. Данные по уносу получены путем взвешивания исследуемых узлов после циклов их работы на фиксированных режимах.
В качестве рабочего тела использовался воздух. Режимы работы плазмотрона варьировались в диапазонах изменения дуговой мощности 0,5–1,2 МВт, токов 160–400 А, расхода газа70–170 г/с. При использовании различных выходных сопел давление в плазмотроне изменялось от 0,2 до 1,65 МПа. Показано влияние различных параметров режима работы на ресурс плазмотрона. С использованием полученных данных по эрозии электродов и конфузоров проведена оценка их ресурса.
В данной работе приводятся результаты исследований по формированию плотных потоков водородной плазмы ЭЦР-разряда в магнитном поле одиночного соленоида. Показана возможность формирования однородных потоков с плотностью 750 мА/см2 и полным током 5 А. Приводятся результаты первых экспериментов по формированию пучка ионов водорода из плазмы ЭЦР-разряда в одной магнитной катушке. Получены рекордные значения плотности тока в пучке свыше 1,5 А/см2. Представленные результаты свидетельствуют о перспективности использования рассмотренной системы в приложениях по созданию инжекторов высокоэнергетических нейтралов для нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза.
В работе рассмотрены конструкции двух установок плазмохимического синтеза на базе плазмотронов переменного тока мощностью до 30 кВт для получения ультра-дисперсных (наноразмерных) оксидных и карбидных материалов. Приведены результаты, полученные при выполнении экспериментальных исследований по получению ультрадисперсных порошков оксидов металлов (железа и алюминия).