А. Плазменные ускорители с собственным магнитным полем

  Импульсные электродные ускорители (пушки). Первым П. у. был «рельсотрон» (рис. 4, а), питаемый конденсаторной батареей. Плазменный сгусток создаётся при пропускании большого тока через тонкую проволоку, натянутую между рельсами, которая при этом испаряется и ионизуется, или за счёт ионизации газа, впрыскиваемого в межэлектродный промежуток через специальный клапан. При разряде на ток в плазменной перемычке (достигающий десятков и сотен ка) действует собственное магнитное поле электрического контура, в результате чего за время порядка 1 мксек и происходит ускорение сгустка. Позднее импульсным ускорителям был придан вид коаксиальной системы (рис. 4, б). В этом случае ускорение сгустка плазмы происходит под действием силы Ампера F_aмп, возникающей при взаимодействии радиальной составляющей тока j_r с азимутальным собственным магнитным полем H_f. Такие П. у. уже нашли широкое применение и позволяют получать сгустки со скоростями до 10⁸ см/сек и общим числом частиц до 10¹⁸.

  Стационарные сильноточные торцевые ускорители. В принципе коаксиальный ускоритель можно сделать стационарным (работающим в непрерывном режиме), если непрерывно подавать в зазор между электродами рабочее вещество (ионизуемый газ). Однако вследствие Холла эффекта при стационарном разряде в ускорителе электрический ток имеет значительную продольную составляющую. Благодаря этому происходит «отжатие» плазмы к катоду, образование прианодных скачков потенциала и т.п., что ведёт к резкому уменьшению кпд. В связи с этим более эффективной оказывается «торцевая» схема (рис. 5, а) с коротким катодом, через который одновременно подаётся рабочее вещество. Ускорение плазмы в торцевом П. у. происходит также в основном за счёт силы Ампера, возникающей при взаимодействии радиальной составляющей j_r, тока j с азимутальным магнитным полем H_f. Если при постоянной подаче рабочего вещества непрерывно увеличивать разрядный ток I_p, то сначала скорость истечения плазмы и кпд ускорителя будут расти. Однако при некотором значении I_p происходит вынос большой части разрядного тока за срез ускорителя, резко возрастает напряжение и падает кпд, в ускорителе возникают колебания. Наступает так называемый критический режим. Его физической причиной является, по-видимому, пинч-эффект, в результате которого плазменный шнур отрывается от анода.

  На нормально работающих торцевых ускорителях с собственным магнитным полем при разрядных токах около 10⁴ а удаётся получать стационарные потоки плазмы со скоростями ~ 100 км/сек и характерными расходами рабочего вещества ~0,01—0,1 г/сек. При этом напряжение на разряде составляет около 50 в.

  Описанный торцевой ускоритель становится неработоспособным не только при больших, но и при малых разрядных токах I_p, поскольку сила Ампера пропорциональна I_p². Поэтому при /_р < 1000 а роль силы Ампера в реальных условиях становится меньше, чем газокинетическое давление, и торцевой П. у. превращается в обычный плазматрон. Чтобы увеличить эффективность торцевого ускорителя при малых мощностях, в рабочем канале создают внешнее магнитное поле (рис. 5, б). Получающийся ускоритель называется торцевым холловским ускорителем, или магнито-плазменным ускорителем. Он позволяет получать потоки плазмы со скоростями в десятки км/сек при мощности ³ 10 квт. Замечательная особенность торцевых ускорителей — способность создавать потоки частиц с энергией, в несколько раз превосходящей приложенную разность потенциалов. На языке динамики частиц это объясняется увлечением ионов за счёт столкновений с электронным потоком, идущим из катода («электронным ветром»).

  Б. Плазменные ускорители с внешним магнитным полем

  Если требуется получать стационарные потоки малой мощности (£ 10 квт) или потоки частиц с большими скоростями (³ 10⁸ см/сек), особенно удобными оказываются так называемые «П. у. с замкнутым дрейфом», один из видов которых схематически изображен на рис. 6. Это осесимметричная система с радиальным магнитным полем в кольцевом ускорительном канале, в котором находится плазма. Работу данного П. у. проще понять, рассматривая динамику электронов и ионов.

  Если между анодом и катодом приложить разность потенциалов, то электроны начнут дрейфовать (т. е. двигаться в среднем с постоянной скоростью) перпендикулярно электрическому Е и магнитному Н полям, описывая кривые, близкие к циклоиде. Длина ускорительного канала L выбирается так, чтобы высота электронной циклоиды h_e была много меньше L (L >> h_e). В этом случае говорят, что электроны «замагничены». Высота ионной циклоиды h_i в силу большой массы (M_i) иона в M_i/m_e раз превосходит h_e (m_e — масса электрона). Поэтому, если сделать длину канала L много меньше h_i, то ионы будут слабо отклоняться магнитным полем и под действием электрического поля будут ускоряться практически по прямой линии. Энергия, набираемая ионами в таком ускорителе, близка к разности потенциалов, приложенной между анодом и катодом, умноженной на заряд иона, а разрядный ток близок к току ускоренных ионов. В целом рабочий процесс в описываемом П. у. происходит следующим образом. Рабочее вещество в виде газа или пара поступает через анод в кольцевой ускорительный канал УК (рис. 6). Здесь, попав в облако дрейфующих по азимуту электронов (под действием взаимно перпендикулярных магнитного H и электрического Е полей), нейтральный атом ионизуется. Возникший в процессе ионизации электрон за счёт столкновений с ионами, атомами, стенкой диэлектрической камеры ДК и под влиянием колебаний диффундирует на анод, а ион, ускоренный электрическим полем, покидает канал. Поскольку объёмный заряд ионов, находящихся в канале, всё время компенсирован зарядом дрейфующих электронов, здесь (в отличие от ионных источников) нет ограничений на величину «вытягиваемого» ионного тока. После выхода из канала ион (чтобы не возникло нарушение квазинейтральности) получает электрон от катода-компенсатора КК. Существует ряд модификаций П. у. с замкнутым дрейфом (с анодным слоем, однолинзовые, многолинзовые и т.п.). Эти ускорители позволяют получать плазменные потоки с эффективным током ионов от единиц до многих сотен а с энергией от 100 эв до 10 кэв и более.

  Применения плазменных ускорителей. Первые П. у. появились в середине 1950-х гг. и уже нашли применение как электрореактивные двигатели, в технологии для чистки поверхностей (методом катодного распыления), нанесения металлических плёнок на различные поверхности, в исследованиях по ионосферной аэродинамике и экспериментальной астрофизике (моделирование космических явлений), в термоядерных исследованиях (в качестве инжекторов плазмы), плазмохимии и т.д. По мере совершенствования конструкции и достижения новых параметров область применения П. у. будет непрерывно расширяться.

  Лит.: Плазменные ускорители, под ред. Л. А. Арцимовича [и др.], М., 1973.

  А. И. Морозов.

Рис. 5. а — схема торцевого плазменного ускорителя: ДВ — диэлектрическая вставка; б — схема торцевого магнито-плазменного ускорителя: ДВ — диэлектрическая вставка; КМП — катушка магнитного поля; РВ — рабочее вещество.