Б. Плазменные ускорители с внешним магнитным полем

  Если требуется получать стационарные потоки малой мощности (£ 10 квт) или потоки частиц с большими скоростями (³ 10⁸см/сек), особенно удобными оказываются так называемые «Плазменные ускорители 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 Плазменные ускорители проще понять, рассматривая динамику электронов и ионов.

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

  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_e была много меньше L (L >> h_e). В этом случае говорят, что электроны «замагничены». Высота ионной циклоиды h_i в силу большой массы (M_i) иона в M_i/m_e раз превосходит h_e(m_e — масса электрона). Поэтому, если сделать длину канала L много меньше h_i, 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 Плазменные ускорители 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 Плазменные ускорители 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 Плазменные ускорители 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 Плазменные ускорители будет непрерывно расширяться.

 

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

  А. И. Морозов.

Плазменные ускорители, устройства для получения потоков плазмы со скоростями 10—10³км/сек и более, что соответствует кинетической энергии ионов от ~10 эв до 10⁵—10⁶эв. 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.

Рис. 1. Принципиальная схема плазменного ускорителя.

  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 = p_i + p_e и действием силы Ампера F_Aмп (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.

>_Aмп (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 p_e >> p_i. Это объясняется тем, что обычно трудно создать плазму с высокой температурой ионов T_i, и сравнительно просто — с «горячими» электронами (T_e >> T_i). 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, T_e ~ 10⁷—10⁹ К, или в энергетических единицах: kT_e ~ 10³—10⁵эв (где k — Больцмана постоянная).

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.

Электроны, стремясь покинуть камеру, создают электрическое поле объёмных зарядов, которое «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 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 Виндуцирует 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.

Рис. 3. а — схема радиационного плазменного ускорителя: КМП — катушки магнитного поля; В — волновод; П — 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
Б. Плазменные ускорители с внешним магнитным полем