Инжектор плазмы (плазменная пушка). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Инжектор плазмы (плазменная пушка) - устройство, предназначенное для создания потоков высокотемпературной плазмы и ввода её (инжекции) в нек-рую область, где проводится к--л. эксперимент с плазмой. И. п. можно отнести к разновидности импульсных плазменных ускорителей. Наиболее широко И. п. используются в термоядерных исследованиях для ввода плазмы в термоядерную ловушку, а также в активных экспериментах в космосе, в экспериментах по моделированию взаимодействия солнечного ветра с объектами Солнечной системы, в плазменной технологии. Это обусловлено широким диапазоном параметров потоков И. п.: скорости ионов лежат в интервале (10⁶-10⁸) см/с; плотность на выходе изменяется от 10¹⁴ до 10¹⁸ см^-3; продолжительность генерации потока варьируется от 1 до 100 мкс; энергосодержание потока в предельных режимах достигает 100 кДж, а его мощность (1410) ГВт. Параметры потока определяются энергосодержанием источника питания (как правило, ёмкостный накопитель) и характерным временем его разряда, способом подачи рабочего вещества в канал (эрозия изолятора, равномерная непрерывная или одноразовая - перед разрядом), нач. плотностью газа и амплитудой тока разряда. Одним из первых И. п. был источник с дейтерированной шайбой, основанный на свойстве металлич. титана, нагретого в атмосфере водорода или дейтерия, образовывать гидрид титана. Это приводит к насыщению титановой шайбы водородом. На такую шайбу направляется ускоренный (>1 кэВ) пучок электронов, к-рый при столкновении выделяет энергию, шайба нагревается и испускает поглощённый ранее водород или дейтерий, ионизующийся в разряде. Полученная таким способом плазма ускоряется и направляется в место, где проводится эксперимент. Эти источники дают сгусток плазмы с числом частиц ~10¹⁷в течение времени от 2 до 10 мкс и температурой ионов ~1 кэВ (~10⁷ К). Другой плазменной пушкой, использовавшейся в первых плазменных экспериментах, был т. н. рельсотрон (см. Плазменные ускорители). В 80-е гг. широко используется в качестве импульсного И. и. коаксиальная плазменная пушка, принцип действия к-рой заключается в следующем; газ в канале ионизуется током разряда источника питания и ускоряется под действием пондеромоторной силы, возникающей при взаимодействии этого тока с собственным магн. полем. На рис. 1 дана схема И. и. этого типа. Объём (ускорит, канал), заключённый между коаксиальными электродами (5)и изолятором (3), откачивается до высокого вакуума (10^-5410^-6 мм рт. ст.). Импульсный клапан через отверстия (4)инжектирует рабочий газ в зазор между электродами. Количество газа в зазоре и вид его пространственного распределения определяются скоростью и временем подачи.

Рис. 1. Схема инжектора плазмы: 1 - источник питания; 2 - включатели; 3 - изолятор; 4 - отверстия для ввода рабочего газа; 5 - коаксиальные электроды; 6 - скин-слой.

По достижении необходимой степени заполнения канала (10¹⁶-10¹⁸ см^-3) включатели (2)соединяют высоковольтную конденсаторную батарею (1)с электродами. Когда напряжение на электродах превышает напряжение пробоя данного газа, начинается дуговой разряд. В процессе нарастания тока I_р разряда газ в канале ионизуется и в зоне между изолятором и отверстиями формируется скин-слой (см. Скин-эффект ).Под действием пондеромоторной силы (

- переменная индуктивность канала) скин-слой (6)ускоряется вдоль оси z в направлении от изолятора к открытому концу пушки. В результате плазма "выстреливается" со скоростью до 10⁸ см/с. При своём движении скин-слой вовлекает нейтральные частицы газа (за счёт их столкновений с электронами и ионами), к-рые также ионизуются и увеличивают плотность плазмы на выходе. Такой И. п. позволяет создавать водородную и дейтериевую плазму высокой плотности и температуры, а также плазму др. разл. газов. Ур-ния, описывающие колебания тока разряда в контуре и движении плазмы в канале, имеют вид:

Здесь t - время, q - заряд конденсаторной батареи, R - сопротивление проводников и коммутаторов тока,

- сопротивление токового слоя и электродов, L₀ - нач. индуктивность контура, т(z) - масса слоя. Ур-ния решаются с нач. условиями: q₀=C₀U₀(С₀, U₀ - ёмкость и напряжение конденсаторной батареи), Рq/Рt=0, z = 0, Рz/Рt=0 при t=0. В случае коаксиальной системы электродов и непрозрачного токового слоя

где r₀ и r₁ - радиусы внутр. и внеш. электродов, п(z) - плотность газа в зазоре, m_i,- - масса иона, m₀ - магнитная постоянная .В импульсных электрич. разрядах джоулевы потери определяются потерями на ионизацию и излучение, т. е.

где E - эпергетич. цена иона. Отсюда

=[E/m_i(Рq/Рt)²]Рm/Рt. Эти ур-ния используются для оценочных расчётов И. п. При фиксированных параметрах разрядного контура и величине ускоряемой массы с их помощью находят такую форму электродов, при к-рой скорость сгустка на выходе И. п. и кпд преобразования электрич. энергии накопителя в кинетич. энергию потока будут максимальны. Выбирают такую электродную конфигурацию, характеризуемую зависимостью

, для к-рой время t_у ускорения плазмы совпадает с временем

разряда конденсаторной батареи. При t_у<t_р накопител ь не полностью передаёт свою энергию плазме; при t_у>t_р возрастают джоулевы потери. Наиб, мощные И. п. используются в термоядерных исследованиях. Для характеристики их параметров и тенденций разработок на рис. 2 приведены зависимости скорости v ускоренных протонов от нач. напряжения U₀ источника питания для И.п.с С₀=500мкФ, L₀=10нГн. Зависимости v(U)приведены для неск. значений числа N ускоренных частиц. При этом каждому значению v для каждого конкретного напряжения U₀ соответствует своя оптимизированная зависимость

Рис. 2. Зависимости скорости плазмы в инжекторе плазмы от напряжения источника питания.

т. е. своя форма электродов. Из рис. 2 видно, что в достаточно широком интервале параметров (N, U₀) подбором L(z) можно получить линейную зависимость v(U₀). А это означает, что кпд системы h=m_iNv²/C₀U₀~(v/U₀)² ^B широком интервале параметров (N, U₀) остаётся постоянным и равным ~50%. Наряду с описанными импульсными И. п. разрабатываются квазистационарные инжекторы с длинным разрядным импульсом (а100 мкс), что позволит увеличить абс. энергосодержание плазменного потока увеличением длительности его генерации.

Литература по инжекторам плазмы (плазменны пушкам)

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.