Физическая энциклопедия - 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,jплотность 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; Вволновод; Л плазменный сгусток; ЭВ электромагн. волна; б схема индукц. плазменного ускорителя: В магн. поле; ПКплазменное 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 Iрhe). 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. .