Плазменные ускорители с собственным магнитным полем

Принцип работы магнитоплазмодинамического ускорителяс собственным магнитным полем заключается в образовании плазмы с протеканием в ней мощного разрядного тока (I_р ~ 10 – 10³ кА), создающего сильное собственное магнитное поле В. При взаимодействии взаимоперпендикулярных составляющих вектора плотности тока j и вектора магнитной индукции В создается сила Ампера, которая и ускоряет плазму. Необходимость получения высоких значений разрядного тока предполагает преимущественно импульсный режим работы таких устройств.

Первыми плазменными ускорителями такого типа были импульсные коаксиальные плазменные пушки, представляющие собой два цилиндрических электрода (внутренний – катод, внешний – анод), подключенных к накопителю энергии. Импульсный напуск газа в межэлектродное пространство и последующее замыкание цепи накопителя приводило к образованию радиальной плазменной перемычки и протеканию через неё разрядного тока. Сила Ампера возникала в результате взаимодействия радиальной составляющей тока j_r и азимутального собственного магнитного поля В_θ: F_а ~ j_r ^. В_θ ~ I_р ²_.

Безусловным достоинством таких ускорителей явилась существенно большая (на 2–3 порядка) по сравнению с ускорителями с замкнутым дрейфом электронов плотность тока ускоренных частиц плазмы (j_i ~10 – 100 А/см²). Устройства работали в режиме микросекундных импульсов и ускоряли плазменные сгустки с числом частиц ~ 10²⁰ (частиц в импульсе) до средней скорости около 10⁵ м/с. Однако КПД таких ускорителей оказался невысоким, а сильноточные короткоимпульсные процессы весьма трудно управляемыми.

Характерная схема более совершенного импульсного плазменного ускорителя с собственным магнитным полем, но работающим уже в режиме миллисекундных импульсов, показана на рис. 2.12. Основные элементы ускорителя – профилированный наружный 1 и цилиндрический внутренний 2 электроды. Подача рабочего вещества в межэлектродное пространство осуществляется быстродействующим клапаном 3. Разрядный ток ускорителя достигает 100 кА при разрядном напряжении U_p = 0,1 – 1 кВ и магнитном поле в канале 0,3 – 0,5 Тл. Импульсные плазменные ускорители, работающие на водороде, позволяют получать потоки со скоростями ~10⁶ м/с (10 кэВ/частицу) с общим энергосодержанием, приближающимся к мегаджоулю (~10²² частиц/импульс).

Ускорители этого типа обычно работают на газе, хотя достаточно часто используются "эрозионные" плазменные ускорители в которых рабочим веществом служат продукты эрозии диэлектрической вставки 4 (см. рис 2.12), либо пары электродов.

Существуют коаксиальные плазменные ускорители, работающие в стационарном (непрерывном) режиме. В этом случае напряжение между электродами постоянно и рабочее вещество подается непрерывно между электродами. Для реализации в коаксиальном ускорителе с собственным магнитным полем стационарного режима работы внутренний электрод (катод) делают сильно укороченным, а рабочее вещество подают через специальные отверстия в нем. Такой ускоритель, получивший название "торцевого", работает при гораздо меньших значениях разрядного тока, чем в случае выше рассмотренных импульсных ПУ (≤ 10 кА). Ускорение плазмы в торцевом ПУ также происходит за счет силы Ампера, при этом скорость ускоряемых потоков плазмы достигает 5^.10⁴ м/с.

Ограниченная величина разрядного тока в стационарном плазменном ускорителе с собственным магнитным полем обусловлена следующими причинами. Если при непрерывной подаче рабочего вещества увеличивать I_р, то при некотором значении разрядного тока происходит вынос большой части тока за срез ускорителя, напряжение и КПД резко падают, в ускорителе развиваются неустойчивости. Наступает так называемый критический режим, связанный с отрывом плазмы от анода.

Торцевой ускоритель становится неработоспособным и при слишком малых значениях разрядного тока: при I_р < 1 кА сила Ампера меньше силы газокинетического давления (~ ) и торцевой ускоритель превращается в уже рассмотренный плазмотрон.

Для оптимизации процесса в случае работы на газе канал делают переменной ширины. На рис. 2.13 приведена схема стационарного сильноточного торцевого плазменного ускорителя.