Классификация плазменных ускорителей

Все разнообразие плазменных ускорителей обычно разделяют по таким параметрам, как временной режим работы, характер подачи рабочего вещества, механизм ускорения, способ подвода энергии, расходуемой на ускорение. В соответствии с этими признаками ПУ подразделяют на импульсные и непрерывного действия, с подачей рабочего вещества в виде газа, пара или эрозионные, в которых плазмообразующая среда вводится в виде твердого материала (проводники, диэлектрики).

С позиций механизма ускорения плазмы и ввода энергии ПУ можно классифицировать следующим образом:

§ электротермические плазменные ускорители,

§ электростатические плазменные ускорители,

§ радиационные плазменные ускорители,

§ магнитоплазмодинамические плазменные ускорители.

В первом типе ПУ преобладает газодинамический механизм ускорения ионов, в остальных плазма ускоряется электрическими и магнитными полями.

Электротермические плазменные ускорители. Подводимая энергия расходуется на нагрев и ионизацию газообразного рабочего вещества, которое ускоряется за счет газокинетических явлений (в процессе ускорения преобладает перепад давления ). В частности, к таким ПУ относится неизотермический ускоритель с "магнитным соплом", в котором "горячие" электроны (Т_е = 10⁷ – 10⁹ К или, в энергетических единицах, kT_e = 10³ – 10⁵ эВ) инжектируются в камеру с рабочим газом, находящуюся в неоднородном магнитном поле. Быстрые электроныионизуют газ. Стремясь покинуть камеру, они создают объёмные заряды (без нарушения квазинейтральности!), электрическое поле которых «вытягивает» и ускоряет ионы, сообщая им энергию порядка kT_e. На рис 2.7 приведена 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.

Электростатические плазменные ускорители. Электромагнитная энергия расходуется на ионизацию рабочего вещества и ускорение ионов в электростатическом поле. Для получения на выходе потока плазмы пучок ионов нейтрализуется соответствующим количеством электронов.

Радиационные плазменные ускорители. В ПУ этого типа ускорение плазменного потока происходит за счёт давления электромагнитной волны, падающей на плазменный сгусток (рис. 2.8). Радиационные ПУ интересны с точки зрения физики взаимодействия, но в настоящее время применения для целей плазменных технологий не нашли.

Наибольшими потенциальными возможностями для широкого круга плазменных технологических процессов среди всего спектра ускорителей обладают магнитоплазмодинамические ускорите-ли (МПДУ), в которых ускорение плазменного потока осуществляется за счет сил, возникающих в результате взаимодействия магнитного поля с током, протекающим через плазму (силы Ампера).

Магнитоплазмодинамические плазменные ускорители в свою очередь бывают безэлектродными (индукционные, высокочастотные) и электродными.

Индукционные и ВЧ ускоряющие системы пока не получили широкого технологического применения, хотя принципы ускорения плазмы в них весьма привлекательны. Так, в индукционном плазменном ускорителе (рис. 2.9) плазменный сгусток (в идеале – кольцевой формы) взаимодействует с импульсным нарастающим магнитным полем, создаваемым соленоидом, соосным с осью симметрии плазменного кольца. Инициируемый этим полем ток в плазменном кольце взаимодействует с самим же магнитным полем, что приводит к возникновению силы Ампера, выталкивающей плазму в сторону от соленоида. Величина силы и время взаимодействия зависят от параметров создаваемой плазмы, ее формы, скорости изменения магнитной индукции, максимального значения магнитной индукции в области взаимодействия поля с плазмой.

 

Более изучены на практике и многочисленны в применениях электродные магнитоплазмодинамические ПУ. Рассмотрим лишь наиболее характерные из них.

 

 

2.2.2 Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов (УЗДП)

 

Схема ПУ такого типа, называемого еще ускорителем с замкнутым дрейфом электронов и фокусировкой в протяженном ускоряющем слое с помощью магнитного поля (УЗДП), показана на рис. 2.10.

Основные элементы УЗДП – система магнитов с коаксиальным магнитопроводом, кольцевой ускорительный диэлектрический канал (разрядная камера), анод в глубине канала, служащий также распределителем рабочего газа или пара, катод-компенсатор, эмиттирующий электроны.

Если между анодом и катодом приложить разность потенциалов, то электроны начнут дрейфовать перпендикулярно электрическому Е и магнитному Н полям, описывая в кольцевом канале кривые, близкие к циклоиде. Величина магнитного поля Н в ускорительном кольцевом канале и его длина L подбираются так, чтобы шаг электронной циклоиды h_е был много меньше L. В этом случае говорят, что электроны "замагничены".

Шаг ионной циклоиды h_i в силу большой массы М_i иона в М_i /m_е раз превосходит h_e (m_е – 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 (W ≈ qU), а разрядный ток близок к току ускоренных ионов. В целом описываемый плазменный ускоритель работает следующим образом. Ускоряемый газ поступает через анод в кольцевой ускорительный канал УК (рис. 2.10). Здесь в облаке дрейфующих по циклоиде электронов нейтральные атомы ионизуются. Возникший при ионизации электрон за счёт столкновений и под влиянием сил, действующих со стороны электрического и магнитного полей дрейфует в сторону анода, а ион, ускоренный электрическим полем Е, покидает канал. После выхода из канала ион (чтобы не нарушалась квазинейтральность) получает электрон от катода-компенсатора КК.

Распределение радиальной составляющей магнитной индукции В_r (напряженности магнитного поля Н_r)вдоль оси канала неравномерное (рис. 2.11), она нарастает от анода к срезу разрядной камеры (выходу ускорителя). Это позволяет:

§ уменьшить долю ионов, попадающих на стенки канала, путем фокусировки ионного потока;

§ достичь большей устойчивости режима ускорения посредством подавления колебаний (неустойчивостей) плазмы в канале.

В случае идеальной организации процесса поток электронов вдоль канала должен быть равен нулю, т.е. разрядный ток I_р должен быть равен току ускоренных ионов I_i. В лучших конструкциях таких ПУ величина I_i/I_р близка к единице.

Такие ускорители позволяют получать ионные токи до нескольких десятков ампер с энергией ионов до одного килоэлектронвольта, однако плотность ионного тока у них небольшая: j_i ~ 0,1 А/см². Мощность потоков в ПУ такого типа небольшая (до 100 Вт)