плазменные ускорители

ПЛАЗМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ - класс плазмодинамич. устройств для получения потоков плазмы с энергией ионов от 10 эВ и выше. На нижнем пределе энергии П. у. соседствуют с генераторами низкотемпературной плазмы - плазмотронами ,на верхнем - с коллективными ускорителями 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 потоки с эфф. током ионов порядка млн. А при энергии частиц 100 эВ.
Плазменные потоки с большими скоростями можно получить разными способами, напр. воздействием лазерного излучения на твёрдое тело. Однако доведены до определённого уровня совершенства и получили широкое распространение те П. у., в к-рых ускорение и создание плазмы осуществляются за счёт электрич. энергии с помощью электрич. разряда (рис. 1).

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 частиц (ионов и электронов). В рамках первого подхода ускорение плазмы обусловлено перепадом полного (ионного и электронного) давления р = p_i + p_e и действием силы Ампера F_A (см. Ампера закон ),возникающей при взаимодействии токов, текущих в плазме с магн. полем F_A ~ [jB], где j - плотность тока в плазме, В - индукция магн. поля.
В рамках второго подхода ускорение ионов объясняется: 1) действием электрич. поля Е, существующего в плазменном объёме; 2) столкновениями направленного потока электронов ("электронного ветра") с ионами; 3) столкновениями ионов с ионами, благодаря к-рым энергия хаотич. движения ионов переходит в энергию направленного движения (тепловое или газодинамич. ускорение ионов). Наиб. значение для П. у. имеет электрич. ускорение ионов, меньшее - два последних механизма.
Создание электрич. поля в плазме, обладающей подвижными 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 тепловые и электромагнитные в зависимости от того, преобладает ли в процессе ускорения перепад полного давления р или сила Ампера.
Среди тепловых П. у. осн. интерес представляют неизотермич. ускорители, в к-рых Ре > Pi. Конструктивно стационарный неизотермич. П. у. представляет собой "магн. сопло", в к-ром либо путём инжекции быстрых электронов, либо путём электронного циклотронного резонанса создают плазму с горячими электронами (Т_е10⁷ - 10⁹ К или в энер-гетич. единицах: kT_e10³ - 10⁵ эВ). Электроны, стремясь покинуть камеру, создают объёмные заряды (без нарушения квазинейтральности!), электрич. поле к-рых "вытягивает" (ускоряет) ионы, сообщая им энергию порядка kT_e.
Наряду со стационарными создан ряд вариантов импульсных неизотермич. П. у. Их разработка связана с использованием как релятивистских электронных пучков, так и энергетики, созданной первоначально для их получения. Примером П. у. последнего типа могут служить т. н. рефлексные триоды.
Эл--магн. П. у. подразделяются по характеру подвода энергии к плазме на три класса: радиационные ускорители, в к-рых ускорение 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 индуцирует ток в плазменном кольце (рис. 2,б). Взаимодействие этого тока с радиальной составляющей внешнего магн. поля создаёт силу Ампера, к-рая и 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 ниже рассмотрены подробнее.

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

П. у. с собственным магнитным полем. Импульсные электродные П. у. (пушки). Первым П. у. был "рельсотрон", питаемый конденсаторной батареей. Плазменный сгусток создаётся либо за счёт эрозии диэлектрич. вставки под действием скользящего разряда, либо при пропускании большого 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 промежуток через спец. клапан. При разряде на ток в плазменной перемычке II (достигающий десятков и сотен кА) действует собств. магн. поле электрич. контура, в результате чего за время ~1 мкс и происходит ускорение сгустка. В нач. 60-х гг. появились импульсные коаксиальные ускорители. Эти ускорители обычно работают 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 собственным магнитным полем: а - схема рельсотрона; б - схема коаксиального импульсного плазменного ускорителя. Быстродействующий клапан БК подает газ в зазор между внутренним (ВЭ) и наружным (НЭ) электродами.

Стационарные сильноточные П. у. В принципе коаксиальные П. у. можно сделать стационарными (работающими в непрерывном режиме), если поддерживать напряжение и непрерывно подавать между электродами рабочее вещество. Для оптимизации процесса в случае работы на газе канал надо делать переменной ширины (рис. 4,а). Если анод сделать сплошным, то при пост. подаче рабочего вещества и непрерывном увеличении разрядного тока I_р скорость истечения плазмы и кпд ускорителя сначала будут расти (уменьшается уд. вес затрат на ионизацию, нагрев плазмы и потери на стенки). Однако при нек-ром значении I_р 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 является в конечном счёте обеднение ионами прианодной области, к-рое происходит под действием объёмного электрич. поля. Такой критич. режим наиб. эффективно устраняют подачей части рабочего вещества через анод (переход в режим "ионного токопереноса"), для чего используют не сплошной, а пористый или стержневой анод. Наиб, часто такая схема применяется в квазп-стационарных П. у., работающих при мощностях ~10⁸ Вт с длительностью импульса ~1 мс.
В стационарных коаксиальных П. у. большой нагрузке подвергается не только анод, но и катод, где превалируют тепловые нагрузки вследствие гибели ионов. В области умеренных мощностей (N 10⁴ кВт) проблема катода решается переходом на "торцевую" схему с 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 удаётся получить стационарные потоки плазмы со скоростями 50 км/с. Торцевой плазменный ускоритель становится неработоспособным не только при больших, но и при малых разрядных токах I_р. Поскольку сила Ампера (за счёт к-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 увеличить эффективность торцевого П. у. при малых мощностях, в рабочем канале создают внеш. магн. поле (рис. 4,б). Получающийся П. у. наз. торцевым холловским или магнитоплазменным ускорителем. Он позволяет получать потоки плазмы со скоростями в десятки км/с при мощности10 кВт. Замечат. особенность торцевых П. у. - способность создавать потоки частиц 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 вещества через катод, значит. распространение в установках для плазменной технологии получили торцевые магнитоплазменные ускорители с эрозией (за счёт катодных пятен) охлаждаемых катодов.

Рис. 4.. Стационарные сильноточные плазменные ускорители: а - схема торцевого плазменного ускорителя (ДВ - диэлектрич. вставка); б - схема торцевого магнитоплазменного ускорителя (ДВ - диэлектрическая вставка; КМП - катушка магнитного поля; РВ - рабочее вещество).

Квазистационарный сильноточный П. у. Переход в область мощностей > 10⁷ Вт и скоростей истечения10⁷ см/с требует не только использования ионного токопереноса, но и защиты катода от тепловых перегрузок. В этих условиях можно применить длинный катод и для пропускания тока использовать его боковую поверхность, как это сделано в коаксиальном импульсном П. у. (рис. 3, б). Однако теперь для обеспечения стационарности течения зазор между электродами должен иметь переменную ширину, сужение, как сопло Лаваля. Это течение подчиняется ур-нию Бернулли:

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

(знаком "0" отмечены значения параметров на входе в капал, v₃₀ - скорость звука, v_A0 - альвеновская скорость, - показатель адпабаты).
П. у. с внешним магнитным нолем. Если требуется получать стационарные потоки малой мощности (100 Вт) 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 анодом и катодом приложить разность потенциалов, то электроны начнут дрейфовать перпендикулярно электрич. Е и магн. Н полям, описывая кривые, близкие к циклоиде. Длина ускорительного канала L выбирается так, чтобы высота электронной циклоиды h_е была много меньше L (Lh_e). В этом случае говорят, что электроны "замагничены".

Рис. 3. Схема плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом. Магнитное поле создаётся магнитопроводом МПр и катушками КМП; 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, 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 описываемый П. у. работает след. образом. Ускоряемый газ поступает через анод в кольцевой ускорительный канал УК (рис. 5). Здесь в облаке дрейфующих электронов нейтральные атомы ионизуются. Возникший при ионизации электрон за счёт столкновений и под влиянием колебаний диффундирует на анод, а ион, ускоренный электрич. полем Е, покидает канал. После выхода из канала ион (чтобы не нарушалась квазинейтральность) получает электрон 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. П. у. с анодным слоем представляют собой системы, в к-рых для ускорения ионов используются слои толщиной порядка электронного ларморовского радиуса, подобно тем, к-рые обеспечивают "магн. изоляцию".
Существуют не только стационарные, но и 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 изучаются и 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; Плазменные ускорители и ионные инжекторы, под ред. Н. П. Козлова, А. И. Морозова, М., 1984.

А. И. Морозов.