ПЛАЗМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ

Устройства для получения потоков плазмы со скоростями 10—103 км/с, что соответствует кинетич. энергии ионов от =10 эВ до 105—107 эВ. На нижнем пределе энергии П. у. соседствуют с генераторами низкотемпературной плазмы -- плазмотронами, на верхнем — с коллективными ускорителями заряженных ч-ц (см. КОЛЛЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ УСКОРЕНИЯ).

Плазменные потоки с большими скоростями можно получить разными способами, напр, воздействием лазерного излучения на тв. тело. Однако доведены до определённого уровня совершенства и получили широкое распространение только те П. у. (рис. 1), в к-рых ускорение и создание плазмы осуществляется за счёт электрич. энергии с помощью электрич. разрядов.

В отличие от ускорителей заряженных ч-ц, в канале П. у. находятся одновременно ч-цы с зарядами обоих знаков — положит. ионы и эл-ны, т. е. не нарушается квазинейтральность плазмы. Это снимает ограничения, связанные с пространственным зарядом (см. ЛЕНГМЮРА ФОРМУЛА), и позволяет, напр., получать квазистационарные (т. е. длительностью 10 -2—10-3 с) плазменные потоки с эфф. током ионов порядка млн. А при энергии ч-ц =100 эВ.

Рис. 1. Принципиальная схема плазменного ускорителя.

Механизм ускорения.

При анализе рабочего процесса в П. у. плазму можно рассматривать и как сплошную среду, и как совокупность ч-ц (ионов и эл-нов). В рамках первого подхода ускорение плазмы обусловлено перепадом полного (ионного и электронного) давления р=рi+ре и действием силы Ампера FАмп (см. АМПЕРА ЗАКОН), возникающей при вз-ствии токов, текущих в плазме с магн. полем FAmп =(jB), где,j— плотность тока в плазме, В — индукция магн. поля.

В рамках второго подхода ускорение ионов объясняется: 1) действием электрич. поля E, существующего в плазменном объёме; 2) столкновениями направленного потока эл-нов с ионами («электронного ветра»); 3) столкновениями ионов с ионами, благодаря к-рым энергия хаотич. движения ионов переходит в направленную (тепловое или газодинамич. ускорение ионов). Наибольшее значение для П. у. имеет электрич. ускорение ионов, меньшее — два последних механизма.

Классификация П. у.

Они делятся на т е п л о в ы е и э л е к т р о м а г н и т н ы е в зависимости от того, преобладает ли в процессе ускорения перепад полного давления р или сила Ампера.

Среди тепловых ГГ. у. осн. интерес представляют н е и з о т е р м и ч е с к и е ускорители, в к-рых pe->pi. Конструктивно стационарный неизотермич. П. у. представляет собой «магн. сопло», в к-ром либо путём инжекции быстрых эл-нов, либо путём электронного циклотронного резонанса создают плазму с «горячими» эл-нами (Те=107—109 К или в энергетич. единицах: kTe=103—105 эВ). Эл-ны, стремясь покинуть камеру, создают объёмные заряды (без нарушения квазинейтральности!), электрич. поле к-рых «вытягивает» (ускоряет) ионы, сообщая им энергию порядка kTe.

Электромагн. П. у. подразделяются по характеру подвода энергии к плазме на 3 класса:

а) радиационные ускорители, в к-рых ускорение плазменного потока происходит за счёт давления электромагн. волны, падающей на плазменный сгусток (рис. 2, а);

б) и н д у к ц и о н н ы е ускорители — импульсные системы, в к-рых внешнее нарастающее магн. поле В индуцирует ток j в плазменном кольце (рис. 2, б). Вз-ствие этого тока с радиальной составляющей внеш. магн. поля создаёт силу Ампера, к-рая и ускоряет плазменное кольцо;

Рис. 2. а — схема радиац. плазменного ускорителя: КМП — катушки магн. поля; В— волновод; Л — плазменный сгусток; ЭВ — электромагн. волна; б — схема индукц. плазменного ускорителя: В — магн. поле; ПК— плазменное кольцо; ИК — индукционная катушка.

в) электродные П. у., в к-рых существует непосредственный контакт ускоряемой плазмы с электродами, подключёнными к источнику напряжения. Наиболее изученными и многочисленными явл. электродные П. у., к-рые ниже рассмотрены подробнее.

П. у. с собственным магн. полем.

И м п у л ь с н ы е э л е к т р о д н ы е П. у. (п у ш к и). Первым П. у. был «рельсотрон» (рис. 3, а), питаемый конденсаторной батареей.

Рис. 3. а — схема рельсотрона; б — схема коаксиального импульсного плазменного ускорителя. Быстродействующий клапан БК подаёт газ в зазор между внутренним ВЭ и наружным НЭ электродами (ДВ — диэлектрич. вставка между электродами).

Плазменный сгусток создаётся либо при пропускании большого тока через тонкую проволоку, натянутую между массивными электродами — рельсами Р, к-рая при этом испаряется и ионизуется, либо за счёт ионизации газа, впрыскиваемого в межэлектродный промежуток через спец. клапан. При разряде на ток в плазменной перемычке П (достигающий десятков и сотен кА) действует собств. магн. поле электрич. контура, в результате чего за время =1 мкс и происходит ускорение сгустка. Позднее импульсным ускорителям был придан вид коаксиальной системы (рис. 3, б). Такие П. у. нашли широкое применение и позволяют получать сгустки со скоростями до 108 см/с и общим числом ч-ц до 1020.

С т а ц и о н а р н ы е с и л ь н о т о ч н ы е т о р ц е в ы е П. у. В принципе коаксиальный П. у. можно сделать стационарным (работающим в непрерывном режиме), если непрерывно подавать в зазор между электродами рабочее в-во (ионизуемый газ). Однако вследствие Холла эффекта более эффективной оказывается «торцевая» схема с коротким катодом, через к-рый одновременно подаётся рабочее в-во. Ускорение плазмы в «торцевом» П. у. происходит также за счёт силы Ампера. Если при постоянной подаче рабочего в-ва непрерывно увеличивать разрядный ток Iр, то сначала скорость истечения плазмы и кпд ускорителя будут расти. Однако при нек-ром значении Iр происходит вынос большой части разрядного тока за срез ускорителя, напряжение резко возрастает, падает кпд, в ускорителе возникают колебания. Наступает т. н. критич. режим. Его физ. причиной явл., по-видимому, пинч-эффект, в результате к-рого плазменный шнур отрывается от анода.

На нормально работающих торцевых П. у. с собств. магн. полем при разрядных токах ок. 104 А удаётся получать стационарные потоки плазмы со скоростями 50 км/с. Описанный торцевой П. у. становится неработоспособным не только при больших, но и при малых разрядных токах Iр. Поскольку сила Ампера пропорциональна Iр, при Iр<1000 А её роль в реальных условиях становится меньше, чем газокинетич. давление, и торцевой П. у. превращается в обычный плазмотрон.

Рис. 4. Схема торцевого магнптоплазменного ускорителя: ДВ— диэлектрич. вставка; КМП — катушка магн. поля; РВ — рабочее вещество.

Чтобы увеличить эффективность торцевого П. у. при малых мощностях, в рабочем канале создают внеш. магн. поле (рис. 4). Получающийся П. у. наз. торцевым холловским ускорителем, или м а г н и т о-п л а з м е н н ы м ускорителем. Он позволяет получать потоки плазмы со скоростями в десятки км/с при мощности ?S10 кВт. Замечат. особенность торцевых П. у.— способность создавать потоки ч-ц с энергией, в неск. раз превосходящей приложенную разность потенциалов. Это объясняется увлечением ионов электронным потоком, идущим из катода («электронным ветром»).

П. у. с внешним магнитным полем.

Если требуется получать стационарные потоки малой мощности (?100 Вт) или потоки ч-ц с большими скоростями (?108см/с), особенно удобными оказываются т. н. П. у. «с з а м к н у т ы м д р е й ф о м», один из видов к-рых схематически изображён на рис. 5.

Рис. 5. Схема плазменного- ускорителя с замкнутым дрейфом. Магн. поле H создаётся магнитопроводом МПр и катушками КМП.

Если между анодом и катодом КК приложить разность потенциалов, то эл-ны начнут дрейфовать перпендикулярно электрич. E и магн. Н полям, описывая кривые, близкие к циклоиде. Длина ускорительного канала L выбирается так, чтобы высота электронной циклоиды he была много меньше L (L->he). В этом случае говорят, что эл-ны «замагничены». Высота ионной циклоиды hi в силу большой массы (Mi) иона в Мi/mе раз превосходит he (me — масса эл-на). Поэтому, если сделать длину канала L много меньше hi, то ионы будут слабо отклоняться магн. полем и под действием электрич. 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 току ускоренных ионов. В целом описываемый П. у. работает след. образом. Ускоряемый газ поступает через анод в кольцевой ускорительный канал УК (рис. 5). Здесь в облаке дрейфующих эл-нов нейтральные атомы ионизуются. Возникший при ионизации эл-н за счёт столкновений и под влиянием колебаний диффундирует на анод, а ион, ускоренный электрич. полем, покидает канал. После выхода из канала ион (чтобы не нарушилась квазинейтральность) получает эл-н от катода компенсатора КК. Существует ряд модификаций П. у. с замкнутым дрейфом (с анодным слоем, однолинзовые, многолинзовые и т. п.). Эти ускорители в стационаре позволяют получать плазменные потоки с эфф. током ионов от единиц до сотен А с энергией от 100 эВ до 10 кэВ и более.

Применения П. у.

Первые П. у. появились в сер. 1950-х гг. и нашли применение как плазменные двигатели, в технологии для чистки поверхностей (методом катодного распыления), нанесения металлич. плёнок на разл. поверхности, в исследованиях по ионосферной аэродинамике, в термоядерных исследованиях (в качестве инжекторов плазмы), плазмохимии и т. д.