Пл а Редагувати ускор і ки, пристрої для отримання потоків плазми зі швидкостями 10-103 км / сек і більше, що відповідає кінетичної енергії іонів від ~ 10 еВ до 105-106 ев. На нижній межі енергії П. у. сусідять з генераторами низькотемпературної плазми - плазматронамі , На верхньому - з колективними прискорювачами заряджених частинок (див. Прискорення заряджених частинок колективні методи ). Як правило, П. у. є прискорювачами повністю іонізованої плазми, тому процеси збудження і іонізації, а також теплові процеси грають в них, на відміну від плазматронов, допоміжну роль.
Плазмові потоки з великими швидкостями можна отримати різними способами, наприклад дією лазерного променя на тверде тіло. Однак до власне П. у. відносять лише пристрої (рис. 1), в яких прискорення і зазвичай одночасне приготування плазми здійснюються за рахунок електричної енергії за допомогою одного або декількох спеціальних електричних розрядів.
На відміну від прискорювачів заряджених частинок, в каналі П. у. знаходяться одночасно частинки з зарядами обох знаків - позитивні іони і електрони, т. е. не відбувається порушення квазі-нейтральності. Це знімає обмеження, пов'язані з об'ємним (просторовим) зарядом (див. Ленгмюра формула ), І дозволяє отримувати плазмові потоки з ефективним струмом іонів в декілька млн. А при енергії частинок ~ 100 ев. При іонних токах ~ 1000 А вже досягнута енергія часток в кілька кев.
З П. у. іони і електрони виходять практично з рівними спрямованими швидкостями, так що основна енергія потоку припадає на іони (внаслідок їх великої маси). Тому П. у. - це електричні системи, що прискорюють іони в присутності електронів, що компенсують об'ємний заряд іонів.
Механізм прискорення. При аналізі робочого процесу в П. у. плазму можна розглядати і як суцільне середовище, і як сукупність часток (іонів і електронів). В рамках першого підходу прискорення плазми обумовлено перепадом повного (іонного і електронного) тиску p = pi + pe і дією сили Ампера F A мп (див. Ампера закон ), Що виникає при взаємодії струмів, поточних в плазмі, з магнітним полем, F Aмп ~ [jB], де j - щільність струму в плазмі, В - індукція магнітного поля.
В рамках другого підходу прискорення іонів може відбуватися в результаті: 1) дії електричного поля Е, існуючого в плазмовому обсязі; 2) зіткнень спрямованого потоку електронів з іонами ( «електронного вітру»); 3) зіткнень іонів з іонами, завдяки яким енергія хаотичного руху іонів переходить в спрямовану (теплове або газодинамічне прискорення іонів). Найбільше значення для П. у. має електричне прискорення іонів, менше - два останніх механізму.
Класифікація плазмових прискорювачів. П. у. діляться на теплові та електромагнітні в залежності від того, чи переважає в процесі прискорення перепад повного тиску р або сила Ампера.
Серед теплових П. у. основний інтерес представляють неізотерміческімі прискорювачі, в яких pe >> pi. Це пояснюється тим, що зазвичай важко створити плазму з високою температурою іонів Ti, і порівняно просто - з «гарячими» електронами (Te >> Ti). Така плазма є неізотермічної. Конструктивно неізотерміческімі прискорювач являє собою «магнітне сопло» (рис. 2), в якому або шляхом інжекції швидких електронів, або шляхом електронного циклотронного резонансу створюють плазму з «гарячими» електронами, Te ~ 107 - 109 К, або в енергетичних одиницях: kTe ~ 103 - 105 ев (де k - Больцмана постійна ).
Електрони, прагнучи покинути камеру, створюють електричне поле об'ємних зарядів, яке «витягує» (прискорює) іони, повідомляючи їм енергію порядку kTe.
Електромагнітні П. у. поділяються за характером підведення енергії до плазми. Розрізняють три класи:
а) радіаційні прискорювачі, в яких прискорення плазмового потоку відбувається за рахунок тиску електромагнітної хвилі, падаючої на плазмовий згусток (рис. 3, а); б) індукційні прискорювачі - імпульсні системи, в яких зовнішнє наростаюче магнітне поле В індукує струм j в плазмовому кільці (рис. 3, б), створеному тим пли іншим способом. Взаємодія цього струму з радіальної складової зовнішнього магнітного поля створює силу Ампера, яка і прискорює полум'яне кільце; в) електродні плазмові прискорювачі, в яких існує безпосередній контакт ускоряемой плазми з електродами, підключеними до джерела напруги. При амперовом взаємодії цього струму з зовнішнім (т. Е. Створеним автономними магнітними системами) або власним (створеним струмом, що протікає через плазму) магнітним полем відбувається прискорення плазми. Найбільш вивченими і численними є електродні П. у., Які нижче будуть розглянуті детальніше.
А. Плазмові прискорювачі з власним магнітним полем
Імпульсні електродні прискорювачі (гармати). Першим П. у. був «рельсотрон» (рис. 4, а), що живиться конденсаторної батареєю. Плазмовий згусток створюється при пропущенні великого струму через тонкий дріт, натягнутий між рейками, яка при цьому випаровується і ионизуется, або за рахунок іонізації газу, що впорскується в міжелектродний проміжок через спеціальний клапан. При розряді на ток в плазмової перемичці (що досягає десятків і сотень ка) діє власне магнітне поле електричного контура, в результаті чого за час порядку 1 мксек і відбувається прискорення згустка. Пізніше імпульсним прискорювачів був доданий вид коаксіальної системи (рис. 4, б). В цьому випадку прискорення згустка плазми відбувається під дією сили Ампера F aмп, що виникає при взаємодії радіальної складової струму j r з азимутним власним магнітним полем H f. Такі П. у. вже знайшли широке застосування і дозволяють отримувати згустки зі швидкостями до 108 см / сек і загальним числом частинок до 1018.
Стаціонарні сільноточние торцеві прискорювачі. В принципі коаксіальний прискорювач можна зробити стаціонарним (працюючим в безперервному режимі), якщо безперервно подавати в зазор між електродами робоча речовина (іонізуемий газ). Однак внаслідок Холла ефекту при стаціонарному розряді в прискорювачі електричний струм має значну подовжню складову. Завдяки цьому відбувається «віджимання» плазми до катода, освіту пріанодном стрибків потенціалу і т.п., що веде до різкого зменшення ккд. У зв'язку з цим більш ефективною виявляється «торцева» схема (рис. 5, а) з коротким катодом, через який одночасно подається робоча речовина. Прискорення плазми в торцевому П. у. відбувається також в основному за рахунок сили Ампера, що виникає при взаємодії радіальної складової jr, струму j з азимутним магнітним полем H f. Якщо при постійній подачі робочої речовини безперервно збільшувати розрядний струм Ip, то спочатку швидкість витікання плазми і ккд прискорювача будуть рости. Однак при деякому значенні Ip відбувається винос великої частини розрядного струму за зріз прискорювача, різко зростає напруга і падає ккд, в прискорювачі виникають коливання. Настає так званий критичний режим. Його фізичною причиною є, мабуть, пінч-ефект , В результаті якого плазмовий шнур відривається від анода.
На нормально працюючих торцевих прискорювачах з власним магнітним полем при розрядних токах близько 104 а вдається отримувати стаціонарні потоки плазми з швидкостями ~ 100 км / сек і характерними витратами робочої речовини ~ 0,01-0,1 г / сек. При цьому напруга на розряді складає близько 50 в.
Описаний торцевої прискорювач стає непрацездатним не лише при великих, але і при малих розрядних токах Ip, оскільки сила Ампера пропорційна I p2. Тому при / р <1000 А роль сили Ампера в реальних умовах стає менше, ніж газокінетичний тиск, і торцевій П. у. перетворюється в звичайний плазматрон. Щоб збільшити ефективність торцевого прискорювача при малих потужностях, в робочому каналі створюють зовнішнє магнітне поле (рис. 5, б). Добутий прискорювач називається торцевих холлівських прискорювачем, або магніто-плазмовим прискорювачем. Він дозволяє отримувати потоки плазми з швидкостями в десятки км / сек при потужності ³ 10 квт. Чудова особливість торцевих прискорювачів - здатність створювати потоки частинок з енергією, в кілька разів перевищує прикладену різницю потенціалів. Мовою динаміки частинок це пояснюється захопленням іонів за рахунок зіткнень з електронним потоком, що йде з катода ( «електронним вітром»).
Б. Плазмові прискорювачі із зовнішнім магнітним полем
Якщо потрібно отримувати стаціонарні потоки малої потужності (£ 10 квт) або потоки часток з великими швидкостями (³ 108 см / сек), особливо зручними виявляються так звані «П. у. із замкнутим дрейфом », один з видів яких схематично зображено на рис. 6. Це осесиметрична система з радіальним магнітним полем в кільцевому ускорительном каналі, в якому знаходиться плазма. Роботу даного П. у. простіше зрозуміти, розглядаючи динаміку електронів та іонів.
Якщо між анодом і катодом прикласти різницю потенціалів, то електрони почнуть дрейфувати (т. Е. Рухатися в середньому з постійною швидкістю) перпендикулярно електричному Е і магнітному Н полях, описуючи криві, близькі до циклоїді. Довжина прискорювального каналу L вибирається так, щоб висота електронної циклоїди he була набагато меншою L (L >> he). У цьому випадку говорять, що електрони «замагнічени». Висота іонної циклоїди hi в силу великої маси (Mi) іона в Mi / me разів перевершує he (me - маса електрона). Тому, якщо зробити довжину каналу L багато менше hi, то іони будуть слабо відхилятися магнітним полем і під дією електричного поля будуть прискорюватися практично по прямій лінії. Енергія, набирається іонами в такому прискорювачі, близька до різниці потенціалів, прикладеної між анодом і катодом, помноженої на заряд іона, а розрядний струм близький до струму прискорених іонів. В цілому робочий процес в описуваному П. у. відбувається наступним чином. Робоча речовина у вигляді газу або пари поступає через анод в кільцевий прискорювальний канал УК (рис. 6). Тут, потрапивши в хмару дрейфуючих по азимуту електронів (під дією взаємно перпендикулярних магнітного H та електричного Е полів), нейтральний атом іонізується. Виниклий в процесі іонізації електрон за рахунок зіткнень з іонами, атомами, стінкою діелектричної камери ДК і під впливом коливань дифундує на анод, а іон, прискорений електричним полем, залишає канал. Оскільки об'ємний заряд іонів, що знаходяться в каналі, весь час компенсований зарядом дрейфуючих електронів, тут (на відміну від іонних джерел ) Немає обмежень на величину «витягається» іонного струму. Після виходу з каналу іон (щоб не виникло порушення квазінейтральності) отримує електрон від катода-компенсатора КК. Існує ряд модифікацій П. у. із замкнутим дрейфом (з анодним шаром, однолінзовий, багатолінзові і т.п.). Ці прискорювачі дозволяють отримувати плазмові потоки з ефективним струмом іонів від одиниць до багатьох сотень а з енергією від 100 ев до 10 кев і більш.
Застосування плазмових прискорювачів. Перші П. у. з'явилися в середині 1950-х рр. і вже знайшли застосування як електрореактивних двигуни , В технології для чищення поверхонь (методом катодного розпилення ), Нанесення металевих плівок на різні поверхні, в дослідженнях по ионосферной аеродинаміці і експериментальній астрофізиці (моделювання космічних явищ), в термоядерних дослідженнях (як інжекторів плазми), плазмохімії і т.д. У міру вдосконалення конструкції і досягнення нових параметрів область застосування П. у. буде безперервно розширюватися.
Літ .: Плазмові прискорювачі, під ред. Л. А. Арцимовича [и др.], М., 1973.
А. І. Морозов.
Мал. 5. а - схема торцевого плазмового прискорювача: ДВ - діелектрична вставка; б - схема торцевого магніто -плазменного прискорювача: ДВ - діелектрична вставка; КМП - котушка магнітного поля; РВ - робоча речовина.
Мал. 1. Принципова схема плазмового прискорювача.
Мал. 2. Схема неізотермічного плазмового прискорювача. Електронний пучок, що виходить з електронної гармати ЕП, нагріває електрони в газорозрядної камері ГК і ионизует робоча речовина РВ, що подається в камеру. Утвориться прискорена плазма УП під дією перепаду електронного тиску випливає, уздовж магнітних силових ліній, створюваних котушками магнітного поля КМП.
Мал. 3. а - схема радіаційного плазмового прискорювача: КМП - котушки магнітного поля; В - хвилевід; П - плазмовий згусток; ЕВ - електромагнітна хвиля; б - схема індукційного плазмового прискорювача: В - магнітне поле; ПК - полум'яне кільце; ІК - індукційна котушка; j - струм в плазмовому кільці.
Мал. 6. Схема плазмового прискорювача із замкнутим дрейфом. Магнітне поле H створюється магнітопроводом МПР і котушками КМП.
Мал. 4. а - схема «рельстрона»: Р - рейки; П - плазмова перемичка; С - ємність; К - ключ; б - схема коаксіального імпульсного плазмового прискорювача. Швидкодіючий клапан БК подає газ в зазор між внутрішнім ВЕ і зовнішнім НЕ електродами (ДВ - діелектрична вставка між електродами). Після замикання ключа До в ланцюзі виникає струм, який ионизует газ.