ПЛАЗМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ

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

Плазменные потоки с большими скоростями можно получить разными способами, напр. воздействием лазерного луча на твёрдое тело. Однако к собственно П. у. относят лишь устройства (рис. 1), в к-рых ускорение и обычно одновременное приготовление плазмы осуществляются за счёт электрич. энергии с помощью одного или неск. специальных электрич. разрядов.

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

Рис. 1. Принципиальная схема плазменного ускорителя.

Из П. у. ионы и электроны выходят практически с равными направленными скоростями, так что осн. энергия потока приходится на ионы (вследствие их большой массы). Поэтому П. у.- это электрич. системы, ускоряющие ионы в присутствии электронов, компенсирующих объёмный заряд ионов.

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 p = p_i + p_e и действием силы Ампера F_Амп (см. Ампера закон), возникающей при взаимодействии токов, текущих в плазме, с магнитным полем, F_Амп~[jB], где j - плотность тока в плазме, В - индукция магнитного поля.

В рамках второго подхода ускорение ионов может происходить в результате: 1) действия электрич. поля Е, существующего в плазменном объёме; 2) столкновений направленного потока электронов с ионами ("электронного ветра"); 3) столкновений 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 плазменных ускорителей. П. у. делятся на тепловые и электромагнитные в зависимости от того, преобладает ли в процессе ускорения перепад полного давления p или сила Ампера.

Среди тепловых П. у. осн. интерес представляют неизотермические ускорители, в к-рых p_e >>p_i. Это объясняется тем, что обычно трудно создать плазму с высокой темп-рой ионов Ti и сравнительно просто - с "горячими" электронами (T_e>>T_i Такая плазма является неизотермической. Конструктивно неизотермич. ускоритель представляет собой "магнитное сопло" (рис. 2), в к-ром либо путём инжекции быстрых электронов, либо путём электронного циклотронного резонанса создают плазму с "горячими" электронами, T_e~10⁷-10⁹ К, или в энергетич. единицах: kT_e~10³-10⁵ эв (где k - Болъцмана постоянная). Электроны, стремясь покинуть камеру, создают электрич. поле объёмных зарядов, к-рое

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. "вытягивает" (ускоряет) ионы, сообщая им энергию порядка kT_e.

Электромагнитные П. у. подразделяются по характеру подвода энергии к плазме. Различают три класса: а) радиационные ускорители, в к-рых ускорение плазменного потока происходит за счёт давления электромагнитной волны, падающей на плазменный сгусток (рис. 3, а); 6) индукционные ускорители - импульсные системы, в к-рых внешнее нарастающее магнитное поле В индуцирует ток j в плазменном кольце (рис. 3, 6), созданном тем или иным способом. Взаимодействие этого тока с радиальной составляющей внешнего магнитного поля создаёт силу Ампера, к-рая и ускоряет плазменное кольцо; в) электродные плазменные ускорители, в к-рых существует непосредственный контакт ускоряемой плазмы с электродами, подключёнными 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 П. у., к-рые ниже будут рассмотрены подробнее.

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

А. Плазменные ускорители с собственным магнитным полем

Импульсные электродные ускорители (пушки). Первым П. у. 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 спец. клапан. При разряде на ток в плазменной перемычке (достигающий десятков и сотен ка) действует собств. магнитное поле электрич. 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_Амп, возникающей при взаимодействии радиальной составляющей тока j_r с азимутальным собств. магнитным полем Н_ф. Такие П. у. уже нашли широкое применение и позволяют получать сгустки со скоростями до 10⁸ см/сек и общим числом частиц до 10¹⁸.

Рис. 4. а- схема "рельсотрона": npельсы; П - плазменная перемычка; С - ёмкость; К - ключ; 6 - схема коаксиального импульсного плазменного ускорителя. Быстродействующий клапан БК подаёт газ в зазор между внутренним ВЭ и наружным НЭ электродами (ДВ - диэлектрическая вставка между электродами ). После замыкания ключа К в цепи возникает ток. который ионизует газ.

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 электрич. ток имеет значит. 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 к-рый одновременно подаётся рабочее вещество. Ускорение плазмы в торцевом П. у. происходит также в основном за счёт силы Ампера, возникающей при взаимодействии радиальной составляющей j_rтока j с азимутальным магнитным полем Н_ф. Если при постоянной подаче рабочего вещества непрерывно увеличивать разрядный ток I_p, то сначала скорость истечения плазмы и кпд ускорителя будут расти. Однако при нек-ром значении I_p происходит вынос большой части разрядного тока за срез ускорителя, резко возрастает напряжение и падает кпд, в ускорителе возникают колебания. Наступает т. н. критич. режим. Его физич. причиной является, по-видимому, пинч-эффект, в результате к-рого плазменный шнур отрывается от анода.

На нормально работающих торцевых ускорителях с собств. магнитным полем при разрядных токах ок. 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 ок. 50 в.

Описанный торцевой ускоритель становится неработоспособным не только при больших, но и при малых разрядных токах Iр, поскольку сила Ампера пропорциональна Pp. Поэтому при Iр<1000 а роль силы Ампера в реальных условиях становится меньше, чем газокинетич. давление, и торцевой П. у. превращается в обычный плазматрон. Чтобы увеличить эффективность торцевого ускорителя при малых мощностях, в рабочем канале создают внешнее магнитное поле (рис. 5, б). Получающийся ускоритель наз. торцевым холловским ускорителем, или магнито-плазменным ускорителем. Он позволяет получать потоки плазмы со скоростями в десятки км/сек при мощности >=10 квт. Замечат. особенность торцевых ускорителей - способность создавать потоки частиц с энергией, в неск. раз превосходящей приложенную разность потенциалов. На языке динамики частиц это объясняется увлечением ионов за счёт столкновений с электронным потоком, идущим из катода ("электронным ветром").

Рис. 5. а - схема торцевого плазменного ускорителя: ДВ-диэлектрическая вставка; 6 - схема торцевого магнито-плазменного ускорителя: ДВ - диэлектрическая вставка; КМП - катушка магнитного поля; РВ -рабочее вещество.

Б. Плазменные ускорители с внешним магнитным полем

Если требуется получать стационарные потоки малой мощности (~<10 квт) или потоки частиц с большими скоростями (~>10⁸ см/сек), особенно удобными оказываются т. н. "П. у. с замкнутым дрейфом", один из видов которых схематически изображён на рис. 6. Это осесимметричная система с радиальным магнитным полем в кольцевом ускорительном канале, в к-ром находится плазма. Работу данного П. у. 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_eбыла много меньше L (L>>h_e). В этом случае говорят, что электроны "замагничены". Высота ионной циклоиды h₁в силу большой массы (M₁) иона в M₁/m_eраз превосходит h_e (т_e - масса электрона). Поэтому, если сделать длину канала L много меньше h₁, то ионы будут слабо отклоняться магнитным полем и под действием электрик, 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 П. у. происходит след. 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 n и электрического е полей), нейтральный атом ионизуется. Возникший в процессе ионизации электрон за счёт столкновений с ионами, атомами, стенкой диэлектрич. камеры ДК и под влиянием колебаний диффундирует на анод, а ион, ускоренный электрич. 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 катодакомпенсатора КК. Существует ряд модификаций П. у. 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.

Рис. 6. Схема плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом. Магнитное поле Н создаётся магнитопроводом МПр и катушками КМП.

Применения плазменных ускорителей. Первые П. у. появились в сер. 1950-х гг. и уже нашли применение как электрореактивные двигатели, в технологии для чистки поверхностей (методом катодного распыления), нанесения металлич. плёнок на различные поверхности, в исследованиях по ионосферной аэродинамике и экспериментальной астрофизике (моделирование космич. явлений), в термоядерных исследованиях (в качестве инжекторов плазмы), плазмохимии и т. д. По мере совершенствования конструкции и достижения новых параметров область применения П. у. будет непрерывно расширяться.

Лит.: Плазменные ускорители, под ред. Л. А. Арцимовича [и др.], М., 1973.

А. И. Морозов.