Рис. 1. Схема инжектора плазмы: 1 - источник питания; 2 - включатели; 3 - изолятор; 4 - отверстия для ввода рабочего газа; 5 - коаксиальные электроды; 6 - скин-слой.
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 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 Iр 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, mi,- - 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/mi(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 tу ускорения плазмы совпадает с временем
разряда конденсаторной батареи. При tу<tр накопител ь не полностью передаёт свою энергию плазме; при tу>tр
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=miNv2/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.
Ю. В. Скворцов.
|
|
 |
