РАЗДЕЛ 2 ЭЛЕМЕНТЫ ПЛАЗМЕННОЙ И ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИЙ

РАЗДЕЛ 2 ЭЛЕМЕНТЫ ПЛАЗМЕННОЙ И ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИЙ

Устройства, обеспечивающие потоки плазмы с достаточно широким диапазоном параметров, обычно подразделяют на два класса:

■ плазмотроны;

■ плазменные ускорители (ПУ)

Место этих устройств среди ряда других систем, обеспечивающих потоки частиц для технологических целей, иллюстрируется (несколько условно) рис. 2.1. Ближайшими соседями их, как видно, являются классические газодинамические системы и ускорители заряженных частиц. Газодинамика обычно имеет дело с электрически нейтральными потоками большой плотности, но малой энергии. В ускорителях заряженных частиц с помощью электрических полей ускоряются до больших энергий частицы одного знака, однако плотность частиц в потоке ограничена объемным зарядом и поэтому невелика.

Существенно более высокие плотности частиц в потоке, в том числе заряженных частиц, достигаются именно в плазмотронах и плазменных ускорителях.

Под плазмотронами понимаются устройства для получения низкотемпературной плазмы, в которых электрическая энергия внешнего источника питания преобразуется в ионизацию частиц рабочего вещества и энергию частиц плазмы. В большинстве случаев это устройства на основе разряда в газе. Получаемая в плазмотронах плазма имеет электронную температуру, не превышающую 10 эВ (< 10⁵ К), скорость ее частиц обычно не выше 10⁴ м/с, а кинетическая энергия направленного движения ионов не более 10 эВ/нуклон. Вместе с тем, высокая плотность частиц (с давлением порядка атмосферного) может обеспечить передаваемую потоком мощность до 10 МВт.

Под плазменными ускорителями (ПУ) понимаются устройства, позволяющие получать потоки плазмы с достаточно высокими плотностью и кинетической энергией направленного движения ионов (> 10 эВ/нуклон), а также скоростью частиц >10⁵ м/с. Достижение в ПУ таких высоких значений основных параметров потока связано с тем, что в них ионы, так же как в ускорителях заряженных частиц, ускоряются электромагнитным полем, но из-за особенностей процесса ускорения отпадает необходимость в разделении положительных и отрицательных частиц.

Выделение плазмотронов в самостоятельный тип устройств для получения плазменных потоков связан с тем, что в них преобладающими процессами являются возбуждение и ионизация рабочего вещества, а в плазменных ускорителях преобладающим становится именно процесс ускорения уже образовавшихся ионов.

Следует отметить, что энергии ионов и электронов плазмы при одной и той же скорости отличаются очень сильно. Ввиду этого ПУ можно считать также устройствами, в которых за счет энергии электромагнитного поля происходит ускорение ионов в среде электронов, компенсирующих их объемный заряд.