Значение ПЛАЗМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ в Большой советской энциклопедии, БСЭ

ПЛАЗМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ

ускорители, устройства для получения потоков плазмы со скоростями 10-103 км/сек и более, что соответствует кинетической 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, вспомогательную роль.

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

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

Из П. у. ионы и электроны выходят практически с равными направленными скоростями, так что основная энергия потока приходится на ионы (вследствие их большой массы). Поэтому П. у. - это электрические 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 pi + pe и действием силы Ампера F A мп (см. Ампера закон ), возникающей при взаимодействии токов, текущих в плазме, с магнитным полем, F Aмп ~ [ jB ], где j - плотность тока в плазме, В - индукция магнитного поля.

В рамках второго подхода ускорение ионов может происходить в результате: 1) действия электрического поля Е, существующего в плазменном объёме; 2) столкновений направленного потока электронов с ионами ('электронного ветра'); 3) столкновений ионов с ионами, благодаря которым энергия хаотического движения ионов переходит в направленную (тепловое или газодинамическое ускорение ионов). Наибольшее значение для П. у. имеет электрическое 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 р или сила Ампера.

Среди тепловых П. у. основной интерес представляют неизотермические ускорители, в которых pe > > pi . Это объясняется тем, что обычно трудно создать плазму с высокой температурой ионов Ti , и сравнительно просто - с 'горячими ' электронами ( Te > > Ti ). Такая плазма является неизотермической. Конструктивно неизотермический ускоритель представляет собой 'магнитное сопло' ( рис. 2 ), в котором либо путём инжекции быстрых электронов, либо путём электронного циклотронного резонанса создают плазму с 'горячими' электронами, Te ~ 107 - 109 К, или в энергетических единицах: kTe ~ 103 - 105 эв (где k - Больцмана постоянная ).

Электроны, стремясь покинуть камеру, создают электрическое поле объёмных зарядов, которое 'вытягивает' (ускоряет) ионы, сообщая им энергию порядка kTe.

Электромагнитные П. у. подразделяются по характеру подвода энергии к плазме. Различают три класса:

а) радиационные ускорители, в которых ускорение плазменного потока происходит за счёт давления электромагнитной волны, падающей на плазменный сгусток ( рис. 3 , а); б) индукционные ускорители - импульсные системы, в которых внешнее нарастающее магнитное поле В индуцирует ток j в плазменном кольце ( рис. 3 , б) , созданном тем пли иным способом. Взаимодействие этого тока с радиальной составляющей внешнего магнитного поля создаёт силу Ампера, которая и ускоряет плазменное кольцо; в) электродные плазменные ускорители, в которых существует непосредственный контакт ускоряемой плазмы с электродами, подключенными 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., которые ниже будут рассмотрены подробнее.

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 специальный клапан. При разряде на ток в плазменной перемычке (достигающий десятков и сотен ка ) действует собственное магнитное поле электрического 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 aмп, возникающей при взаимодействии радиальной составляющей тока j r с азимутальным собственным магнитным полем H f . Такие П. у. уже нашли широкое применение и позволяют получать сгустки со скоростями до 108 см/сек и общим числом частиц до 1018.

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 электрический ток имеет значительную 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 который одновременно подаётся рабочее вещество. Ускорение плазмы в торцевом П. у. происходит также в основном за счёт силы Ампера, возникающей при взаимодействии радиальной составляющей jr , тока j с азимутальным магнитным полем H f. Если при постоянной подаче рабочего вещества непрерывно увеличивать разрядный ток Ip, то сначала скорость истечения плазмы и кпд ускорителя будут расти. Однако при некотором значении Ip происходит вынос большой части разрядного тока за срез ускорителя, резко возрастает напряжение и падает кпд, в ускорителе возникают колебания. Наступает так называемый критический режим. Его физической причиной является, по-видимому, пинч-эффект , в результате которого плазменный шнур отрывается от анода.

На нормально работающих торцевых ускорителях с собственным магнитным полем при разрядных токах около 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 около 50 в.

Описанный торцевой ускоритель становится неработоспособным не только при больших, но и при малых разрядных токах Ip, поскольку сила Ампера пропорциональна I p2. Поэтому при /р < 1000 а роль силы Ампера в реальных условиях становится меньше, чем газокинетическое 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 называется торцевым холловским ускорителем, или магнито-плазменным ускорителем. Он позволяет получать потоки плазмы со скоростями в десятки км/сек при мощности ³ 10 квт. Замечательная особенность торцевых ускорителей - способность создавать потоки частиц с энергией, в несколько раз превосходящей приложенную разность потенциалов. На языке динамики частиц это объясняется увлечением ионов за счёт столкновений с электронным потоком, идущим из катода ('электронным ветром').

Б. Плазменные ускорители с внешним магнитным полем

Если требуется получать стационарные потоки малой мощности (£ 10 квт ) или потоки частиц с большими скоростями (³ 108 см/сек ) , особенно удобными оказываются так называемые 'П. у. с замкнутым дрейфом', один из видов которых схематически изображен на рис. 6 . Это осесимметричная система с радиальным магнитным полем в кольцевом ускорительном канале, в котором 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 he была много меньше L ( L > > he ) . В этом случае говорят, что электроны 'замагничены'. Высота ионной циклоиды hi в силу большой массы ( Mi ) иона в Mi/me раз превосходит he ( me - масса электрона). Поэтому, если сделать длину канала L много меньше hi, то ионы будут слабо отклоняться магнитным полем и под действием электрического 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 следующим 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 H и электрического Е полей), нейтральный атом ионизуется. Возникший в процессе ионизации электрон за счёт столкновений с ионами, атомами, стенкой диэлектрической камеры ДК и под влиянием колебаний диффундирует на анод, а ион, ускоренный электрическим 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 катода-компенсатора 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.

Применения плазменных ускорителей. Первые П. у. появились в середине 1950-х гг. и уже нашли применение как электрореактивные двигатели , в технологии для чистки поверхностей (методом катодного распыления ) , нанесения металлических плёнок на различные поверхности, в исследованиях по ионосферной аэродинамике и экспериментальной астрофизике (моделирование космических 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.

Большая советская энциклопедия, БСЭ. 2012