ПЛАЗМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ

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.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ПЛАЗМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ

- классплазмодинамич. устройств для получения потоков плазмы с энергией ионовот 10 эВ и выше. На нижнем пределе энергии П. у. соседствуют с генератораминизкотемпературной плазмы - плазмотронами, на верхнем - с коллективнымиускорителями заряж. частиц (см. Коллективные методы ускорения частиц).В 80-е гг. на стационарных П. у. получены потоки с энергией частиц до 10⁴ эВ, а на импульсных - до 10⁷ эВ.
В отличие от ускорителей заряж. частиц, <в канале П. у. находятся одновременно частицы с зарядами обоих знаков -положит. ионы и электроны, т. е. не нарушается квазинейтралъностъ плазмы. Это снимает ограничения, связанные с пространственным зарядом (см. <также Ленгмюра формула), и позволяет, напр., получать квазистационарные(т. е. длительностью 10^-2 - 10^-3 с) плазменные потокис эфф. током ионов порядка млн. А при энергии частиц 100 эВ.
Плазменные потоки с большими скоростямиможно получить разными способами, напр. воздействием лазерного излученияна твёрдое тело. Однако доведены до определённого уровня совершенства иполучили широкое распространение те П. у., в к-рых ускорение и созданиеплазмы осуществляются за счёт электрич. энергии с помощью электрич. разряда(рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема плазменногоускорителя.

Механизм ускорения. При анализе рабочегопроцесса в П. у. плазму можно рассматривать и как сплошную среду, и каксовокупность частиц (ионов и электронов). В рамках первого подхода ускорениеплазмы обусловлено перепадом полного (ионного и электронного) давления р = p_i + p_e и действием силы Ампера F_A (см. Ампера закон), возникающей при взаимодействиитоков, текущих в плазме с магн. полем F_A ~ [jB], где j- плотность тока в плазме, В - индукция магн. поля.
В рамках второго подхода ускорение ионовобъясняется: 1) действием электрич. поля Е, существующего в плазменномобъёме; 2) столкновениями направленного потока электронов ("электронноговетра") с ионами; 3) столкновениями ионов с ионами, благодаря к-рым энергияхаотич. движения ионов переходит в энергию направленного движения (тепловоеили газодинамич. ускорение ионов). Наиб. значение для П. у. имеет электрич. <ускорение ионов, меньшее - два последних механизма.
Создание электрич. поля в плазме, обладающейподвижными электронами, представляет, вообще говоря, сложную задачу. Из Ома обобщённого закона

видно, что для существования электрич. <поля в плазме нужно иметь либо большое сопротивление, либо большие градиенты р _е (реально - большую электронную темп-ру), либо магн. <поле и дрейф электронов. Для П. у. важны два последних механизма.
Классификация П. у. Они делятся на тепловыеи электромагнитные в зависимости от того, преобладает ли в процессе ускоренияперепад полного давления р или сила Ампера.
Среди тепловых П. у. осн. интерес представляютнеизотермич. ускорители, в к-рых РеPi. Конструктивно стационарныйнеизотермич. П. у. представляет собой "магн. сопло", в к-ром либо путёминжекции быстрых электронов, либо путём электронного циклотронного резонансасоздают плазму с горячими электронами ( Т _е 10⁷- 10⁹ К или в энер-гетич. единицах: kT_e10³- 10⁵ эВ). Электроны, стремясь покинуть камеру, создают объёмныезаряды (без нарушения квазинейтральности!), электрич. поле к-рых "вытягивает"(ускоряет) ионы, сообщая им энергию порядка kT_e.
Наряду со стационарными создан ряд вариантовимпульсных неизотермич. П. у. Их разработка связана с использованием какрелятивистских электронных пучков, так и энергетики, созданной первоначальнодля их получения. Примером П. у. последнего типа могут служить т. н. рефлексныетриоды.
Эл.-магн. П. у. подразделяются по характеруподвода энергии к плазме на три класса: радиационные ускорители, в к-рыхускорение плазменного потока происходит за счёт давления эл.-магн. волны, <падающей на плазменный сгусток (рис. 2, а); индукционные ускорители- импульсные системы, в к-рых внеш. нарастающее магн. поле В индуцируетток в плазменном кольце (рис. 2, б). Взаимодействие этого тока срадиальной составляющей внешнего магн. поля создаёт силу Ампера, к-раяи ускоряет плазменное кольцо; электродные П. у., в к-рых существует непосредств. <контакт ускоряемой плазмы с электродами, подключёнными к источнику напряжения. <Наиб. изученными и многочисленными являются электродные П. у., к-рые нижерассмотрены подробнее.

Рис. 2. Электромагнитные плазменные ускорители: а - схема радиационного плазменного ускорителя (КМП - катушки магнитногополя; В - волновод; П - плазменный сгусток; ЭВ - электромагнитная волна); б - схема индукционного плазменного ускорителя (В - индукция магнитногополя; ПК - плазменное кольцо; ИК - индукционная катушка).

П. у. с собственным магнитным полем. Импульсныеэлектродные П. у. (пушки). Первым П. у. был "рельсотрон", питаемый конденсаторнойбатареей. Плазменный сгусток создаётся либо за счёт эрозии диэлектрич. <вставки под действием скользящего разряда, либо при пропусканиибольшого тока через тонкую проволоку, натянутую между массивными электродами- рельсами Р (рис. 3, а), к-рая при этом испаряется и ионизуется, <либо за счёт ионизации газа, впрыскиваемого в межэлектродный промежутокчерез спец. клапан. При разряде на ток в плазменной перемычке II (достигающийдесятков и сотен кА) действует собств. магн. поле электрич. контура, врезультате чего за время ~1 мкс и происходит ускорение сгустка. В нач.60-х гг. появились импульсные коаксиальные ускорители. Эти ускорители обычноработают на газе (рис. 3, б), хотя достаточно часто используются"эрозионные" П. у., в к-рых рабочим веществом служат продукты эрозии диэлектрич. <вставки ДВ, либо пары электродов. Импульсные П. у., работающие на водороде, <позволяют получать потоки со скоростями ~10⁸ см/с (10 кэВ/частнцу)с общим энергосодержанием, приближающимся к мегаджоулю (~10²² частиц/импульс).

Рис. 3. Плазменные ускорители с собственныммагнитным полем: а - схема рельсотрона; б - схема коаксиальногоимпульсного плазменного ускорителя. Быстродействующий клапан БК подаетгаз в зазор между внутренним (ВЭ) и наружным (НЭ) электродами.

Стационарные сильноточные П. у. В принципекоаксиальные П. у. можно сделать стационарными (работающими в непрерывномрежиме), если поддерживать напряжение и непрерывно подавать между электродамирабочее вещество. Для оптимизации процесса в случае работы на газе каналнадо делать переменной ширины (рис. 4, а). Если анод сделать сплошным, <то при пост. подаче рабочего вещества и непрерывном увеличении разрядноготока I _р скорость истечения плазмы и кпд ускорителя сначалабудут расти (уменьшается уд. вес затрат на ионизацию, нагрев плазмы и потерина стенки). Однако при нек-ром значении I _р происходитвынос большой части разрядного тока за срез ускорителя, напряжение резковозрастает, падает кпд, в ускорителе возникают колебания. Наступает т. <н. критич. режим. Его физ. причиной является в конечном счёте обеднениеионами прианодной области, к-рое происходит под действием объёмного электрич. <поля. Такой критич. режим наиб. эффективно устраняют подачей части рабочеговещества через анод (переход в режим "ионного токопереноса"), для чегоиспользуют не сплошной, а пористый или стержневой анод. Наиб, часто такаясхема применяется в квазп-стационарных П. у., работающих при мощностях~10⁸ Вт с длительностью импульса ~1 мс.
В стационарных коаксиальных П. у. большойнагрузке подвергается не только анод, но и катод, где превалируют тепловыенагрузки вследствие гибели ионов. В области умеренных мощностей (N10⁴ кВт) проблема катода решается переходом на "торцевую" схемус коротким катодом, через к-рый одновременно подаётся рабочее вещество.
На нормально работающих торцевых П. у. <с собств. магн. нолем при разрядных токах ок. 10⁴ А удаётсяполучить стационарные потоки плазмы со скоростями 50 км/с. Торцевой плазменныйускоритель становится неработоспособным не только при больших, но и прималых разрядных токах I _р. Поскольку сила Ампера (за счётк-рой происходит ускорение в П. у.) пропорц.при /р < 1000 А она в реальных условиях становится меньше, чем газокинетич. <давление, и торцевой П. у. превращается в обычный плазмотрон. Чтобы увеличитьэффективность торцевого П. у. при малых мощностях, в рабочем канале создаютвнеш. магн. поле (рис. 4, б). Получающийся П. у. наз. торцевым холловскимили магнитоплазменным ускорителем. Он позволяет получать потоки плазмысо скоростями в десятки км/с при мощности 10кВт. Замечат. особенность торцевых П. у. - способность создавать потокичастиц с энергией, в неск. раз превосходящей приложенную разность потенциалов. <Это объясняется увлечением ионов электронным потоком, идущим из катода(электронным ветром).
Наряду с "внешней" подачей рабочего веществачерез катод, значит. распространение в установках для плазменной технологииполучили торцевые магнитоплазменные ускорители с эрозией (за счёт катодныхпятен) охлаждаемых катодов.

Рис. 4.. Стационарные сильноточные плазменныеускорители: а - схема торцевого плазменного ускорителя (ДВ - диэлектрич. <вставка); б - схема торцевого магнитоплазменного ускорителя (ДВ- диэлектрическая вставка; КМП - катушка магнитного поля; РВ - рабочеевещество).

Квазистационарный сильноточный П. у. Переход в область мощностей > 10⁷ Вт и скоростей истечения 10⁷ см/с требует не только использования ионного токопереноса, но и защитыкатода от тепловых перегрузок. В этих условиях можно применить длинныйкатод и для пропускания тока использовать его боковую поверхность, какэто сделано в коаксиальном импульсном П. у. (рис. 3, б). Однакотеперь для обеспечения стационарности течения зазор между электродами должениметь переменную ширину, сужение, как сопло Лаваля. Это течение подчиняетсяур-нию Бернулли:

Здесь - энтальпия. Из ф-лы следует, что макс. скорость плазмы на выходе из такогоП. у.

(знаком "0" отмечены значения параметровна входе в капал, v₃₀ - скорость звука,v_A0- альвеновская скорость,- показатель адпабаты).
П. у. с внешним магнитным нолем. Еслитребуется получать стационарные потоки малой мощности (100Вт) или потоки частиц с большими скоростями (10⁸ см/с), особенно удобными оказываются т. н. П. у. "с замкнутым дрейфом",один из видов к-рых изображён схематически на рис. 5. Если между анодоми катодом приложить разность потенциалов, то электроны начнут дрейфоватьперпендикулярно электрич. Е и магн. Н полям, <описывая кривые, близкие к циклоиде. Длина ускорительного канала L выбираетсятак, чтобы высота электронной циклоиды h _е была многоменьше L (Lh_e). Вэтом случае говорят, что электроны "замагничены".

Рис. 3. Схема плазменного ускорителя сзамкнутым дрейфом. Магнитное поле создаётся магнитопроводом МПр и катушкамиКМП; ДК - диэлектрическая камера.

Высота ионной циклоиды h_i в силу большой массы ( М _i )иона в М _i /т _е раз превосходит h_e (т _е - масса электрона).Поэтому если сделать длину канала L много меньше h_i, то ионы будут слабо отклоняться магн. полем и под действием электрич. <поля будут ускоряться практически по прямой линии. Энергия, набираемаяионами в таком ускорителе, близка к разности потенциалов, приложенной междуанодом и катодом, умноженной на заряд иона, а разрядный ток близок к токуускоренных ионов. В целом описываемый П. у. работает след. образом. Ускоряемыйгаз поступает через анод в кольцевой ускорительный канал УК (рис. 5). Здесьв облаке дрейфующих электронов нейтральные атомы ионизуются. Возникшийпри ионизации электрон за счёт столкновений и под влиянием колебаний диффундируетна анод, а ион, ускоренный электрич. полем Е, покидает канал. Послевыхода из канала ион (чтобы не нарушалась квазинейтральность) получаетэлектрон от катода-компенсатора КК. Существует ряд модификаций П. у. сзамкнутым 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. <П. у. с анодным слоем представляют собой системы, в к-рых для ускоренияионов используются слои толщиной порядка электронного ларморовского радиуса, <подобно тем, к-рые обеспечивают "магн. изоляцию".
Существуют не только стационарные, нои импульсные П. у. с анодным слоем. Примером могут служить "магнитоизолиров. <диоды", с помощью к-рых получают ионные токи до 1 МА с энергией 1 МэВ. <Длительность импульса таких систем составляет обычно доли мкс.
Применение П. у. Первые П. у. (рельсотроны)появились в сер. 1950-х гг. С тех пор эти системы непрерывно изучаютсяи совершенствуются. Они нашли применение как плазменные двигатели (см. <также Электроракетные 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, в лазерной технике, <для активных экспериментов в космосе и т. д.

Лит.: Плазменные ускорители, М.,1973; Физика и применение плазменных ускорителей, под ред. А. И. Морозова, <Минск, 1974; Гришин С. Д., Лесков Л. В., Козлов Н. П., Плазменные ускорители, <М., 1983; Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы, т. 5, М., 1984; Плазменныеускорители и ионные инжекторы, под ред. Н. П. Козлова, А. И. Морозова, <М., 1984.

А. И. Морозов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.