Плазмові прискорювачі, пристрої для здобуття потоків плазми з швидкостями 10—10 3 км/сек і більш, що відповідає кінетичній енергії іонів від ~10 ев до 10 5 —10 6 ев. На нижній межі енергії П. в. є сусідами з генераторами низькотемпературної плазми — плазматронамі, на верхньому — з колективними прискорювачами заряджених часток (див. Прискорення заряджених часток колективні методи ) . Як правило, П. в. є прискорювачами повністю іонізованной 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. Проте до власне П. в. відносять лише пристрої ( мал. 1 ), в яких прискорення і звичайне одночасне приготування плазми здійснюються за рахунок електричної енергії за допомогою одного або декількох спеціальних електричних розрядів.
На відміну від прискорювачів заряджених часток, в каналі П. в. знаходяться одночасно частки із зарядами обох знаків — позитивні іони і електрони, тобто 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 часток ~ 100 ев. При іонних струмах ~ 1000 а вже досягнута енергія часток в декілька кев.
З П. в. іони і електрони виходять практично з рівними направленими швидкостями, так що основна енергія потоку доводиться на іони (унаслідок їх великої маси). Тому П. в. — це електричні системи, прискорюючі іони у присутності електронів, компенсуючих об'ємний заряд іонів.
Механізм прискорення. При аналізі робочого процесу в П. в. плазму можна розглядати і як суцільне середовище, і як сукупність часток (іонів і електронів). В рамках першого підходу прискорення плазми обумовлене перепадом повного (іонного і електронного) тиску p = p i + p e 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, що існує в плазмовому об'ємі; 2) зіткнень направленого потоку електронів з іонами («електронного вітру»); 3) зіткнень іонів з іонами, завдяки яким енергія хаотичного руху іонів переходить в направлену (теплове або газодинамічне прискорення іонів). Найбільше значення для П. в. має електричне прискорення іонів, менше, — два останні механізми.
Класифікація плазмових прискорювачів. П. в. діляться на теплових і електромагнітних залежно від того, чи переважає в процесі прискорення перепад повного тиску р або сила Ампера.
Серед теплових П. в. основний інтерес представляють неізотермічні прискорювачі, в яких p e >> p i . Це пояснюється тим, що зазвичай важко створити плазму з високою температурою іонів T i , і порівняно просто — з «горячимі » електронами ( T e >> T i ). Така плазма є неізотермічною. Конструктивно неізотермічним прискорювачем є «магнітне сопло» ( мал. 2 ), в якому або шляхом інжекції швидких електронів, або шляхом електронного циклотронного резонансу створюють плазму з «гарячими» електронами, T e ~ 10 7 — 10 9 До, або в енергетичних одиницях: kt e ~ 10 3 — 10 5 ев (де до — Больцмана постійна ).
Електрони, прагнучи покинути камеру, створюють електричне поле об'ємних зарядів, яке «витягує» (прискорює) іони, повідомляючи їм енергію порядку kt e .
Електромагнітні П. в. підрозділяються по характеру підвода енергії до плазми. Розрізняють три класи:
а) радіаційні прискорювачі, в яких прискорення плазмового потоку відбувається за рахунок тиску електромагнітної хвилі, падаючої на плазмовий згусток ( мал. 3 , а); б) індукційні прискорювачі — імпульсні системи, в яких зовнішнє наростаюче магнітне поле В індукує струм j в плазмовому кільці ( мал. 3 , би) , створеному тим плі іншим способом. Взаємодія цього струму з радіальною складовою зовнішнього магнітного поля створює силу Ампера, яка і прискорює плазмове кільце; у) електродні плазмові прискорювачі, в яких існує безпосередній контакт прискорюваної плазми з електродами, підключеними до джерела напруги. При амперовом взаємодії цього струму із зовнішнім (тобто створеним автономними магнітними системами) або власним (створеним струмом, що протікає через плазму) магнітним полем відбувається прискорення плазми. Найбільш вивченими і багаточисельними є електродні П. в., які нижче будуть розглянуті детальніше.
А. Плазменниє прискорювачі з власним магнітним полем
Імпульсні електродні прискорювачі (гармати). Першим П. в. був «рейкотрон» ( мал. 4 , а), що живиться конденсаторною батареєю. Плазмовий згусток створюється при пропусканні великого струму через тонку проволікатиму, натягнуту між рейками, яка при цьому випаровується і іонізуєтся, або за рахунок іонізації газу, що упорскує в міжелектродний проміжок через спеціальний клапан. При розряді на струм в плазмовій перемичці (що досягає десятків і сотень но ) діє власне магнітне поле електричного контура, внаслідок чого за час порядку 1 мксек і відбувається прискорення згустка. Пізніше імпульсним прискорювачам було надане вигляду коаксіальної системи ( мал. 4 , би) . В цьому випадку прискорення згустка плазми відбувається під дією сили Ампера F aмп , радіальною складовою струму j r , що виникає при взаємодії, з азимутним власним магнітним полем H f . Такі П. в. вже знайшли широке вживання і дозволяють отримувати згустки з швидкостями до 10 8 см/сек і загального числа часток до 10 18 .
Стаціонарні сильноточниє торцеві прискорювачі. В принципі коаксіальний прискорювач можна зробити стаціонарним (що працює в безперервному режимі), якщо безперервно подавати в зазор між електродами робочу речовину (іонізуємий газ). Проте унаслідок Холу ефекту при стаціонарному розряді в прискорювачі електричний струм має значну подовжню складову. Завдяки цьому відбувається «віджимання» плазми до катода, утворення пріанодних стрибків потенціалу і т.п., що веде до різкого зменшення ккд(коефіцієнт корисної дії). У зв'язку з цим ефективнішою виявляється «торцева» схема ( мал. 5 , а) з коротким катодом, через який одночасно подається робоча речовина. Прискорення плазми в торцевому П. в. відбувається також в основному за рахунок сили Ампера, радіальної складової , що виникає при взаємодії j r , струму j з азимутним магнітним полем H f . Якщо при постійній подачі робочої речовини безперервно збільшувати розрядний струм I p , те спочатку швидкість виділення плазми і ккд(коефіцієнт корисної дії) прискорювача зростатимуть. Проте при деякому значенні I p відбувається винесення великої частини розрядного струму за зріз прискорювача, різко зростає напруга і падає ккд(коефіцієнт корисної дії), 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 струмах біля 10 4 а удається 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 ст
Описаний торцевий прискорювач стає непрацездатним не лише при великих, але і при малих розрядних струмах I p , оскільки сила Ампера пропорційна I p 2 . Тому при / р < 1000 а роль сили Ампера в реальних умовах стає менше, ніж газокінетичний тиск, і торцевий П. в. перетворюється на звичайний плазматрон. Щоб збільшити ефективність торцевого прискорювача при малих потужностях, в робочому каналі створюють зовнішнє магнітне поле ( мал. 5 , би) . прискорювач, що Виходить, називається торцевим холловським прискорювачем, або магніто-плазмовім прискорювачем. Він дозволяє отримувати потоки плазми з швидкостями у десятки км/сек при потужності ³ 10 квт. Чудова особливість торцевих прискорювачів — здатність створювати потоки часток з енергією, що у декілька разів перевершує прикладену різницю потенціалів. На мові динаміки часток це пояснюється захопленням іонів за рахунок зіткнень з електронним потоком, що йде з катода («електронним вітром»).
Б. Плазменниє прискорювачі із зовнішнім магнітним полемо
Якщо потрібно отримувати стаціонарні потоки малої потужності (£ 10 квт ) або потоки часток з великими швидкостями (³ 10 8 см/сек ) , особливо зручними виявляються так звані «П. в. із замкнутим дрейфом», один з видів яких схематично змальований на мал. 6 . Це осесиметрична система з радіальним магнітним полем в кільцевому прискорювальному каналі, в якому знаходиться плазма. Роботу даного П. в. простіше зрозуміти, розглядаючи динаміку електронів і іонів.
Якщо між анодом і катодом прикласти різницю потенціалів, то електрони почнуть дрейфувати (тобто рухатися в середньому з постійною швидкістю) перпендикулярно електричному Е і магнітному Н полям, описуючи криві, близькі до циклоїди. Довжина прискорювального каналу L вибирається так, щоб висота електронної циклоїди h e була багато менша L ( L >> h e ) . В цьому випадку говорять, що електрони «замагнічують». Висота іонної циклоїди h i через велику масу ( M i ) іона в M i /m e разів перевершує h e ( m e — маса електрона). Тому, якщо зробити довжину каналу L багато менше h i , то іони слабо відхилятимуться магнітним полем і під дією електричного поля прискорюватимуться практично по прямій лінії. Енергія, що набирає 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. в. відбувається таким чином. Робоча речовина у вигляді газу або пари поступає через анод в кільцевий прискорювальний канал УК(Кримінальний кодекс) ( мал. 6 ). Тут, попавши в хмару електронів (під дією взаємно перпендикулярних магнітного H і електричного Е полів), що дрейфують по азимуту, нейтральний атом іонізуєтся. 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, покидає канал. Оскільки об'ємний заряд іонів, що знаходяться в каналі, весь час компенсований зарядом електронів, що дрейфують, тут (на відміну від іонних джерел ) немає обмежень на величину «витягуваного» іонного струму. Після виходу з каналу іон (щоб не виникло порушення квазінейтральності) отримує електрон від катода-компенсатора КК. Існує ряд модифікацій П. в. із замкнутим дрейфом (з анодним шаром, одинлінзові, 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.
Вживання плазмових прискорювачів. Перші П. в. з'явилися в середині 1950-х рр. і вже знайшли вживання як електрореактивні двигуни, в технології для чищення поверхонь (методом катодного розпиляло ) , нанесення металевих плівок на різні поверхні, в дослідженнях по іоносферній аеродинаміці і експериментальній астрофізиці (моделювання космічних явищ), в термоядерних дослідженнях (як інжектори плазми), плазмохимії і т.д. У міру вдосконалення конструкції і досягнення нових параметрів область вживання П. в. безперервно розширюватиметься.
Літ.: Плазмові прискорювачі, під ред. Л. А. Арцимовіча [і ін.], М., 1973.
