У дослідженнях високотемпературної плазми, спрямованих на вирішення завдань керованого термоядерного синтезу, однією з ключових проблем залишається потрапляння легких і важких домішок у плазму. Це зумовлено забрудненням внутрішніх поверхонь вакуумних камер, що призводить до погіршення плазмових параметрів, зростання енергетичних втрат, виникнення радіаційного колапсу та зривів у пристроях типу токамак. Тому ефективна підготовка й чистки вакуумних поверхонь є обов’язковою складовою функціонального циклу термоядерних установок. Найпоширенішим методом чистки є використання плазми жевріючого розряду, хоча і залишається необхідність детальніших досліджень її параметрів. Однак цей підхід має суттєвий недолік – розпилення матеріалів поверхонь, зумовлене високою енергією іонів, яка перевищує поріг розпилення і залежить від напруги розряду. Зменшення анодної напруги до безпечного рівня є вкрай складним у практичному втіленні. Натомість застосування комбінованого жевріючого-мікрохвильового розряду дає змогу суттєво знизити анодну напругу, що робить його перспективним для чистки тороїдальних камер. Проте досліджень у цьому напрямі замало, а фізичні механізми розряду залишаються недостатньо вивченими.
Разом з тим, важливе значення має вдосконалення методів діагностики плазми, що відіграють ключову роль у розумінні фізичних процесів у газорозрядних системах. Зокрема, використання мікрохвильової рефракції дає змогу виявляти локальні неоднорідності електронної густини, визначати азимутальні зсуви структур плазми та оцінювати частоту її обертання. Подальший прогрес у фізиці плазми значною мірою залежить від рівня розвитку діагностичних засобів, що зумовлює необхідність їхнього удосконалення.
Тому дана робота була спрямована на розширення фізичної картини в газорозрядній плазмі жевріючого розряду та комбінованого жевріючого – мікрохвильового розряду які реалізуються у тороїдальних камерах термоядерних пристроях шляхом комплексного дослідження її параметрів, та впровадженні результатів на термоядерних пристроях. Для цього, було проведено дослідження параметрів плазми жевріючого розряду в різних газових атмосферах, визначення вольт-амперних характеристик та складу плазми, розраховано параметри плазми жевріючого розряду за допомогою числового моделювання, досліджено комбінований жевріючий – мікрохвильовий розряд, та удосконалено метод визначення локальних неоднорідностей плазми з використанням мікрохвильової рефракції.
У ході експериментальних досліджень виміряно залежності пробивної напруги від тиску для газів Ar, He і H2 у випадку використання анодів форми сферичної калоти. Встановлено, що пробивна напруга значною мірою залежить як від типу газу, так і від форми анодів, а отримані експериментальні залежності пробивної напруги відповідають закону Пашена. Найвищі значення пробивної напруги спостерігались у гелієвій атмосфері, тоді як найнижчі – в аргоновій. Аналогічна картина спостерігалась і для анодів форми вигнутого циліндра. Порівняльний аналіз двох типів анодів (вигнутого циліндра та сферичної калоти) за однакових умов показав суттєву різницю в пробивних напругах. Така відмінність у пробивній напрузі може зумовлюватися відмінностями в геометрії анодів, що, у свою чергу, впливає на характер розподілу електричного поля у вакуумному об’ємі, а розрахунки електричного поля за допомогою FEMM-коду підтверджують його складну неоднорідну структуру.
Проведено вимірювання вольт-амперних характеристик для різних газів (Ar, He, H2, N2) із використанням анодів двох типів. Отримані залежності є типовими для розрядів із порожнистим катодом і демонструють зростання струму зі збільшенням напруги незалежно від тиску чи типу газу. Інтенсивність оптичного випромінювання також зростає зі струмом, що вказує на підвищення густини й температури електронів. Різниця напруг на електродах, що спостерігалась, ймовірно, пов’язана з неоднорідністю параметрів плазми у великому об’ємі розряду. Аноди сферичної форми калоти забезпечують вищу розрядну напругу, ніж для анодів форми вигнутого циліндра. Найвища напруга спостерігалась у водневій плазмі, найнижча – в гелієвій. Усі залежності є нелінійними: струм різко зростає при незначному підвищенні напруги.
За допомогою рухомого потрійного зонду були досліджені параметри плазми жевріючого розряду. Вимірювання також проводилися для різних газів (аргону, гелію, водню) та двох анодних систем. У всіх випадках було зафіксовано типові параметри плазми для жевріючого розряду, а радіальний профіль показав, що максимальні значення густини плазми, температури електронів та плаваючого потенціалу спостерігалися в центрі плазмового стовпа, тоді як у напрямку до стінки камери ці параметри поступово зменшувалися. При практично однакових умовах найбільша густина плазми спостерігається у аргоні до ≈ 8,3∙1014 м-3, ніж у гелії до ≈ 4∙1014 м-3 та водні до ≈ 1,5∙1014 м-3.
