Плазменные ускорители

Определение "Плазменные ускорители" в Большой Советской Энциклопедии

Неизотермический плазменный ускоритель (схема)

Плазменные ускорители, устройства для получения потоков плазмы со скоростями 10—10³ км/сек и более, что соответствует кинетической энергии ионов от ~10 эв до 10⁵—10⁶ эв. На нижнем пределе энергии Плазменные ускорители соседствуют с генераторами низкотемпературной плазмы — плазматронами, на верхнем — с коллективными ускорителями заряженных частиц (см. Ускорения заряженных частиц коллективные методы). Как правило, Плазменные ускорители являются ускорителями полностью ионизованной плазмы, поэтому процессы возбуждения и ионизации, а также тепловые процессы играют в них, в отличие от плазматронов, вспомогательную роль.

Плазменные ускорители

Плазменные потоки с большими скоростями можно получить разными способами, например воздействием лазерного луча на твёрдое тело. Однако к собственно Плазменные ускорители относят лишь устройства (рис. 1), в которых ускорение и обычно одновременное приготовление плазмы осуществляются за счёт электрической энергии с помощью одного или нескольких специальных электрических разрядов.

Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом

В отличие от ускорителей заряженных частиц, в канале Плазменные ускорители находятся одновременно частицы с зарядами обоих знаков — положительные ионы и электроны, т. е. не происходит нарушения квази-нейтральности. Это снимает ограничения, связанные с объёмным (пространственным) зарядом (см. Ленгмюра формула), и позволяет получать плазменные потоки с эффективным током ионов в несколько млн. а при энергии частиц ~ 100 эв. При ионных токах ~ 1000 а уже достигнута энергия частиц в несколько кэв.

Плазменный ускоритель (схема)

  Из Плазменные ускорители ионы и электроны выходят практически с равными направленными скоростями, так что основная энергия потока приходится на ионы (вследствие их большой массы). Поэтому Плазменные ускорители — это электрические системы, ускоряющие ионы в присутствии электронов, компенсирующих объёмный заряд ионов.

Радиационный и индукционный плазменный ускоритель (схема)

Механизм ускорения. При анализе рабочего процесса в Плазменные ускорители плазму можно рассматривать и как сплошную среду, и как совокупность частиц (ионов и электронов). В рамках первого подхода ускорение плазмы обусловлено перепадом полного (ионного и электронного) давления p = p_i + p_e и действием силы Ампера F_Aмп (см. Ампера закон), возникающей при взаимодействии токов, текущих в плазме, с магнитным полем, F_Aмп ~ [jB], где j — плотность тока в плазме, В — индукция магнитного поля.

Торцевые плазменные ускорители

В рамках второго подхода ускорение ионов может происходить в результате: 1) действия электрического поля Е, существующего в плазменном объёме; 2) столкновений направленного потока электронов с ионами («электронного ветра»); 3) столкновений ионов с ионами, благодаря которым энергия хаотического движения ионов переходит в направленную (тепловое или газодинамическое ускорение ионов). Наибольшее значение для Плазменные ускорители имеет электрическое ускорение ионов, меньшее — два последних механизма.

Классификация плазменных ускорителей. Плазменные ускорители делятся на тепловые и электромагнитные в зависимости от того, преобладает ли в процессе ускорения перепад полного давления р или сила Ампера.

Среди тепловых Плазменные ускорители основной интерес представляют неизотермические ускорители, в которых p_e >> p_i. Это объясняется тем, что обычно трудно создать плазму с высокой температурой ионов T_i, и сравнительно просто — с «горячими» электронами (T_e >> T_i). Такая плазма является неизотермической. Конструктивно неизотермический ускоритель представляет собой «магнитное сопло» (рис. 2), в котором либо путём инжекции быстрых электронов, либо путём электронного циклотронного резонанса создают плазму с «горячими» электронами, T_e ~ 10⁷—10⁹ К, или в энергетических единицах: kT_e ~ 10³—10⁵ эв (где k — Больцмана постоянная).
Электроны, стремясь покинуть камеру, создают электрическое поле объёмных зарядов, которое «вытягивает» (ускоряет) ионы, сообщая им энергию порядка kT_e.
Электромагнитные Плазменные ускорители подразделяются по характеру подвода энергии к плазме. Различают три класса:

а) радиационные ускорители, в которых ускорение плазменного потока происходит за счёт давления электромагнитной волны, падающей на плазменный сгусток (рис. 3, а); б) индукционные ускорители — импульсные системы, в которых внешнее нарастающее магнитное поле В индуцирует ток j в плазменном кольце (рис. 3, б), созданном тем пли иным способом. Взаимодействие этого тока с радиальной составляющей внешнего магнитного поля создаёт силу Ампера, которая и ускоряет плазменное кольцо; в) электродные плазменные ускорители, в которых существует непосредственный контакт ускоряемой плазмы с электродами, подключенными к источнику напряжения. При амперовом взаимодействии этого тока с внешним (т. е. созданным автономными магнитными системами) или собственным (созданным током, протекающим через плазму) магнитным полем происходит ускорение плазмы. Наиболее изученными и многочисленными являются электродные Плазменные ускорители, которые ниже будут рассмотрены подробнее.
А. Плазменные ускорители с собственным магнитным полем

  Импульсные электродные ускорители (пушки). Первым Плазменные ускорители был «рельсотрон» (рис. 4, а), питаемый конденсаторной батареей. Плазменный сгусток создаётся при пропускании большого тока через тонкую проволоку, натянутую между рельсами, которая при этом испаряется и ионизуется, или за счёт ионизации газа, впрыскиваемого в межэлектродный промежуток через специальный клапан. При разряде на ток в плазменной перемычке (достигающий десятков и сотен ка) действует собственное магнитное поле электрического контура, в результате чего за время порядка 1 мксек и происходит ускорение сгустка. Позднее импульсным ускорителям был придан вид коаксиальной системы (рис. 4, б). В этом случае ускорение сгустка плазмы происходит под действием силы Ампера F_aмп, возникающей при взаимодействии радиальной составляющей тока j_r с азимутальным собственным магнитным полем H_f. Такие Плазменные ускорители уже нашли широкое применение и позволяют получать сгустки со скоростями до 10⁸ см/сек и общим числом частиц до 10¹⁸.

Стационарные сильноточные торцевые ускорители. В принципе коаксиальный ускоритель можно сделать стационарным (работающим в непрерывном режиме), если непрерывно подавать в зазор между электродами рабочее вещество (ионизуемый газ). Однако вследствие Холла эффекта при стационарном разряде в ускорителе электрический ток имеет значительную продольную составляющую. Благодаря этому происходит «отжатие» плазмы к катоду, образование прианодных скачков потенциала и т.п., что ведёт к резкому уменьшению кпд. В связи с этим более эффективной оказывается «торцевая» схема (рис. 5, а) с коротким катодом, через который одновременно подаётся рабочее вещество. Ускорение плазмы в торцевом Плазменные ускорители происходит также в основном за счёт силы Ампера, возникающей при взаимодействии радиальной составляющей j_r, тока j с азимутальным магнитным полем H_f. Если при постоянной подаче рабочего вещества непрерывно увеличивать разрядный ток I_p, то сначала скорость истечения плазмы и кпд ускорителя будут расти. Однако при некотором значении I_p происходит вынос большой части разрядного тока за срез ускорителя, резко возрастает напряжение и падает кпд, в ускорителе возникают колебания. Наступает так называемый критический режим. Его физической причиной является, по-видимому, пинч-эффект, в результате которого плазменный шнур отрывается от анода.

На нормально работающих торцевых ускорителях с собственным магнитным полем при разрядных токах около 10⁴ а удаётся получать стационарные потоки плазмы со скоростями ~ 100 км/сек и характерными расходами рабочего вещества ~0,01—0,1 г/сек. При этом напряжение на разряде составляет около 50 в.

Описанный торцевой ускоритель становится неработоспособным не только при больших, но и при малых разрядных токах I_p, поскольку сила Ампера пропорциональна I_p². Поэтому при /_р < 1000 а роль силы Ампера в реальных условиях становится меньше, чем газокинетическое давление, и торцевой Плазменные ускорители превращается в обычный плазматрон. Чтобы увеличить эффективность торцевого ускорителя при малых мощностях, в рабочем канале создают внешнее магнитное поле (рис. 5, б). Получающийся ускоритель называется торцевым холловским ускорителем, или магнито-плазменным ускорителем. Он позволяет получать потоки плазмы со скоростями в десятки км/сек при мощности ³ 10 квт. Замечательная особенность торцевых ускорителей — способность создавать потоки частиц с энергией, в несколько раз превосходящей приложенную разность потенциалов. На языке динамики частиц это объясняется увлечением ионов за счёт столкновений с электронным потоком, идущим из катода («электронным ветром»).
Б. Плазменные ускорители с внешним магнитным полем

Если требуется получать стационарные потоки малой мощности (£ 10 квт) или потоки частиц с большими скоростями (³ 10⁸ см/сек), особенно удобными оказываются так называемые «Плазменные ускорители с замкнутым дрейфом», один из видов которых схематически изображен на рис. 6. Это осесимметричная система с радиальным магнитным полем в кольцевом ускорительном канале, в котором находится плазма. Работу данного Плазменные ускорители проще понять, рассматривая динамику электронов и ионов.

Если между анодом и катодом приложить разность потенциалов, то электроны начнут дрейфовать (т. е. двигаться в среднем с постоянной скоростью) перпендикулярно электрическому Е и магнитному Н полям, описывая кривые, близкие к циклоиде. Длина ускорительного канала L выбирается так, чтобы высота электронной циклоиды h_e была много меньше L (L >> h_e). В этом случае говорят, что электроны «замагничены». Высота ионной циклоиды h_i в силу большой массы (M_i) иона в M_i/m_e раз превосходит h_e (m_e — масса электрона). Поэтому, если сделать длину канала L много меньше h_i, то ионы будут слабо отклоняться магнитным полем и под действием электрического поля будут ускоряться практически по прямой линии. Энергия, набираемая ионами в таком ускорителе, близка к разности потенциалов, приложенной между анодом и катодом, умноженной на заряд иона, а разрядный ток близок к току ускоренных ионов. В целом рабочий процесс в описываемом Плазменные ускорители происходит следующим образом. Рабочее вещество в виде газа или пара поступает через анод в кольцевой ускорительный канал УК (рис. 6). Здесь, попав в облако дрейфующих по азимуту электронов (под действием взаимно перпендикулярных магнитного H и электрического Е полей), нейтральный атом ионизуется. Возникший в процессе ионизации электрон за счёт столкновений с ионами, атомами, стенкой диэлектрической камеры ДК и под влиянием колебаний диффундирует на анод, а ион, ускоренный электрическим полем, покидает канал. Поскольку объёмный заряд ионов, находящихся в канале, всё время компенсирован зарядом дрейфующих электронов, здесь (в отличие от ионных источников) нет ограничений на величину «вытягиваемого» ионного тока. После выхода из канала ион (чтобы не возникло нарушение квазинейтральности) получает электрон от катода-компенсатора КК. Существует ряд модификаций Плазменные ускорители с замкнутым дрейфом (с анодным слоем, однолинзовые, многолинзовые и т.п.). Эти ускорители позволяют получать плазменные потоки с эффективным током ионов от единиц до многих сотен а с энергией от 100 эв до 10 кэв и более.

Применения плазменных ускорителей. Первые Плазменные ускорители появились в середине 1950-х гг. и уже нашли применение как электрореактивные двигатели, в технологии для чистки поверхностей (методом катодного распыления), нанесения металлических плёнок на различные поверхности, в исследованиях по ионосферной аэродинамике и экспериментальной астрофизике (моделирование космических явлений), в термоядерных исследованиях (в качестве инжекторов плазмы), плазмохимии и т.д. По мере совершенствования конструкции и достижения новых параметров область применения Плазменные ускорители будет непрерывно расширяться.
Лит.: Плазменные ускорители, под ред. Л. А. Арцимовича [и др.], М., 1973.
А. И. Морозов.

Рис. 5. а — схема торцевого плазменного ускорителя: ДВ — диэлектрическая вставка; б — схема торцевого магнито-плазменного ускорителя: ДВ — диэлектрическая вставка; КМП — катушка магнитного поля; РВ — рабочее вещество.


Рис. 1. Принципиальная схема плазменного ускорителя.


Рис. 2. Схема неизотермического плазменного ускорителя. Электронный пучок, выходящий из электронной пушки ЭП, нагревает электроны в газоразрядной камере ГК и ионизует рабочее вещество РВ, подаваемое в камеру. Образующаяся ускоренная плазма УП под действием перепада электронного давления вытекает, вдоль магнитных силовых линий, создаваемых катушками магнитного поля КМП.


Рис. 3. а — схема радиационного плазменного ускорителя: КМП — катушки магнитного поля; В — волновод; П — плазменный сгусток; ЭВ — электромагнитная волна; б — схема индукционного плазменного ускорителя: В — магнитное поле; ПК — плазменное кольцо; ИК — индукционная катушка; j — ток в плазменном кольце.

H создаётся магнитопроводом МПр и катушками КМП." href="/a_pictures/18/10/279519510.jpg">H создаётся магнитопроводом МПр и катушками КМП."http://hydrogen.atomistry.com/">H создаётся магнитопроводом МПр и катушками КМП." src="a_pictures/18/10/th_279519510.jpg">
Рис. 6. Схема плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом. Магнитное поле H создаётся магнитопроводом МПр и катушками КМП.