Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ИНЖЕКТОР ПЛАЗМЫ

ИНЖЕКТОР ПЛАЗМЫ

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 ~10¹⁷ в течение времени от 2 до 10 мкс и темп-рой 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 темп-ры, 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), Р q/ Р t=0,z = 0, Р z/ Р t=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( Р q/ Р t)²] Р m/ Р t. 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 С ₀=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. Лит.: Арцииович Л. А. и др., Электродинамическое ускорение сгустков плазмы, "ЖЭТФ", 1957, т. 33, с. 3; Калмыков А. А., Импульсные плазменные ускорители, в кн.: Физика и применение плазменных ускорителей, Минск, 1974, с. 48; Сиднее В. В. и др., Импульсные плазменные ускорители большой мощности, "Вопр. атомной науки и техн. Сер. Термоядерный синтез", 1983, в. 2, с. 12. Ю. В. Скворцов.