2.2 Плазменные ускорители

Под плазменными ускорителями (ПУ), как отмечалось выше, понимаются устройства, обеспечивающие преобразование электрической или электромагнитной энергии в получение плазменных потоков со скоростью частиц 10⁴ – 10⁵ м/с и выше при энергии частиц > 10 Эв/нуклон.

Как уже отмечалось выше, существует три механизма ускорения плазмы:

• под действием электрического или магнитного поля в плазме;

• при взаимодействии ионов с электронами (электронный "ветер");

• газодинамическое ускорение за счет градиента давления ( ), или при столкновениями ионов с ионами, благодаря которым энергия хаотического движения ионов переходит в энергию их направленного движения

Последний механизм является основным для рассмотренных в п. 2.1 плазмотронов. Наибольшее значение для плазменных ускорителей имеет электрическое ускорение ионов, меньшее – два последних механизма.

2.2.1 Классификация плазменных ускорителей

Все разнообразие плазменных ускорителей обычно разделяют по таким параметрам, как временной режим работы, характер подачи рабочего вещества, механизм ускорения, способ подвода энергии, расходуемой на ускорение. В соответствии с этими признаками ПУ подразделяют на импульсные и непрерывного действия, с подачей рабочего вещества в виде газа, пара или эрозионные, в которых плазмообразующая среда вводится в виде твердого материала (проводники, диэлектрики).

С позиций механизма ускорения плазмы и ввода энергии ПУ можно классифицировать следующим образом:

• электротермические плазменные ускорители,

• электростатические плазменные ускорители,

• радиационные плазменные ускорители,

• магнитоплазмодинамические плазменные ускорители.

В первом типе ПУ преобладает газодинамический механизм ускорения ионов, в остальных плазма ускоряется электрическими и магнитными полями.

Электротермические плазменные ускорители. Подводимая энергия расходуется на нагрев и ионизацию газообразного рабочего вещества, которое ускоряется за счет газокинетических явлений (в процессе ускорения преобладает перепад давления ). В частности, к таким ПУ относится неизотермический ускоритель с "магнитным соплом", в котором "горячие" электроны (Т_е = 10⁷ – 10⁹ К или, в энергетических единицах, kT_e = 10³ – 10⁵ эВ) инжектируются в камеру с рабочим газом, находящуюся в неоднородном магнитном поле. Быстрые электроны ионизуют газ. Стремясь покинуть камеру, они создают объёмные заряды (без нарушения квазинейтральности!), электрическое поле которых «вытягивает» и ускоряет ионы, сообщая им энергию порядка kT_e .

Электростатические плазменные ускорители. Электромагнитная энергия расходуется на ионизацию рабочего вещества и ускорение ионов в электростатическом поле. Для получения на выходе потока плазмы пучок ионов нейтрализуется соответствующим количеством электронов.

Радиационные плазменные ускорители. В ПУ этого типа ускорение плазменного потока происходит за счёт давления электромагнитной волны, падающей на плазменный сгусток (рис. 2.7). Радиационные ПУ интересны с точки зрения физики взаимодействия, но в настоящее время применения для целей плазменных технологий не нашли.

Н

Рисунок 2.7 – Схема радиационного плазменного ускорителя: КМП - катушки магнитного поля; В - волновод; П - плазменный сгусток; ЭВ - электромагнитная волна)

аибольшими потенциальными возможностями для широкого круга плазменных технологических процессов среди всего спектра ускорителей обладают магнитоплазмодинамические ускорите-ли (МПДУ), в которых ускорение плазменного потока осуществляется за счет сил, возникающих в результате взаимодействия магнитного поля с током, протекающим через плазму (силы Ампера).

Магнитоплазмодинамические плазменные ускорители в свою очередь бывают безэлектродными (индукционные, высокочастотные) и электродными.

И

Рисунок 2.8– Схема индукционного плазменного ускорителя: В - индукция магнитного поля; ПК - плазменное кольцо; ИК - индукционная катушка.

ндукционные и ВЧ ускоряющие системы пока не получили широкого технологического применения, хотя принципы ускорения плазмы в них весьма привлекательны. Так, в индукционном плазменном ускорителе (рис. 2.8) плазменный сгусток (в идеале – кольцевой формы) взаимодействует с импульсным нарастающим магнитным полем, создаваемым соленоидом, соосным с осью симметрии плазменного кольца. Инициируемый этим полем ток в плазменном кольце взаимодействует с самим же магнитным полем, что приводит к возникновению силы Ампера, выталкивающей плазму в сторону от соленоида. Величина силы и время взаимодействия зависят от параметров создаваемой плазмы, ее формы, скорости изменения магнитной индукции, максимального значения магнитной индукции в области взаимодействия поля с плазмой.

Более изучены на практике и многочисленны в применениях электродные магнитоплазмодинамические ПУ. Рассмотрим лишь наиболее характерные из них.