Создание плазмы может происходить под действием самых различных энергоноси- телей: электромагнитных полей, потоков электронов, ионов, нейтральных потоков га- за, если они имеют нужные параметры. Ни- же, в соответствии с общим содержанием книги будем говорить в основном о стаци- онарных и квазистационарных генераторах и лишь немного коснемся импульсных ис- точников плазмы и генераторов, питаемых ВЧ. Генераторы плазмы по своим конструк- тивным особенностям и по характеру проте- кающих процессов можно несколько услов- но разбить на 5 типов, каждый из которых в свою очередь подразделяется на суще- ственно отличающиеся подтипы. Вот эти типы. А. "Нагреватели плазмы в замкнутых объёмах'. Здесь естественно выделяются два подтипа: нагреватели низкотемпературной плазмы и нагреватели высокотемпе- ратурной плазмы. К первому подтипу относятся классические разряды в замкнутых объёмах (например, различные газоразрядные лампы на основе тлеющего и дугового разрядов, о которых говорилось в главах 6 и 7). Ко второму подтипу — омические режимы в токамаках и стеллараторах, а также режимы с нагревом в них плазмы СВЧ излучением и потоками быстрых нейтральных атомов. О втором подтипе будет сказано ниже. Специфические генераторы многоза- рядных ионов будут описаны в п. 10.6.1. Б. Генераторы плазменных потоков. Здесь также естественно выделяются два подтипа: Рис. 10.1.1. Схема ионного источника ти- па Мура (а): ГРК — газоразрядная ка- мера, ИОС — ионно-оптическая система; геометрия магнитной системы (б): 1 — магнит, 2 — стенка ГРК, 3 — зонд, 4 — магнитопровод 506 Гл. 10. Примеры современных плазменных технологий - плазмотроны; - плазменные ускорители. Плазмотроны — это генераторы низкоэнергетических потоков, обычно работающие при атмосферном давлении. Если потоки на выходе дозвуковые, то плазмотроны мож- но рассматривать как генераторы-нагреватели, однако по схеме функционирования они "потоковые" системы. Плазмотроны в настоящее время весьма многообразны. Они работают в посто- янноточном режиме, под действием ВЧ и СВЧ волн, а также лазерного излучения. Плазмотроны — одни из наиболее распространенных плазмодинамических систем. Они существуют в самых различных модификациях, имеют мощность от сотен ватт до мегаватт. Ниже в п. 10.2.3 мы опишем их весьма неожиданное применение в медицине. Их главные применения в плазмохимии, машиностроении, научных исследованиях. Плазменные ускорители (ПУ) — это генераторы плазменных сгустков (импульс- ные пушки) или потоков (стационарных или квазистационарных) с достаточно боль- шими энергиями частиц; от десятка ЭВ до сотен КЭВ и выше. Среди импульсных ПУ микросекундного диапазона чаще всего используются коаксиальные электродные пушки, о которых уже говорилось в п. 1.1.2. Они разли- чаются по своим масштабам и энерговкладам в разряд: от сотен джоулей до сотен килоджоулей. Здесь наиболее сложным узлом является клапан, который должен за времена ~ 0,03-0,1 мс сформировать между электродами газовую "шайбу", через которую потом потечет ток, ионизуя ее и ускоряя под действием амперовой силы. В настоящее время для ряда задач также разрабатываются сильноточные ускорители наносекундного диапазона [240]. Но они находятся за пределами нашей тематики. Стационарные плазменные ускорители и почти аналогичные им — квазистаци- онарные ускорители, различаются, прежде всего, механизмами ускорения. В этих ускорителях плазма квазинейтральная, и на гидродинамическом языке действующая в них ускоряющая сила f = -Vp+-[j,H]. Здесь давление р равно сумме давлений ионной pi и электронной ре компонент Отсюда видно, что можно выделить следующие подтипы ПУ: - Изотермические (pi ~ pe, a [j,H] — мало). К ним относятся обычные газодина- мические сопла и многие плазмотроны; - амперовы (р — мало). Сюда относится большинство ПУ; - неизотермические (( i <Cpe, a [j,H] — мало); - "термо-магнитные" (|Vp| ~ ^ [J>H]). Амперовы ускорители естественно разбиваются на три класса: - Сильноточные ПУ с собственным магнитным полем, к ним относятся КСПУ, описанные в разделе 3.7. К ним близки магнитоплазменные компрессоры (МПК), о которых говорилось в разделах 2.6 и 3.7. Особенностью последних является образование на выходе, под действием магнитного поля и набегающего потока, зоны с большей плотностью и температурой. Эту зону называют либо зоной компрессии или "стационарно текущим Z-пинчем". Зона компрессии является мощным источником излучения, когда используется рабочее вещество с большим Z. При работе на дейтерии — зона компрессии может быть источ- ником нейтронов. - Слаботочные (Jp < 100А) с внешним магнитным полем. Это преимущественно "холловские" ПУ. Об одном из них — стационарном плазменном двигателе, 10.1. Генераторы плазмы 507 будет сказано в разделе 10.4, а принцип и элементы физики этих систем обсуждались в разделах 6.7 и 7.5. - ПУ с комбинированным магнитным полем, в которых магнитное поле в рабочей зоне представляет собой суперпозицию внешнего и собственного полей. В. Ионные источники как генераторы плазмы. Схема одного из вариантов мощного ионного источника с газоразрядной камерой (ГРК) изображена на ри- сунке 10.1.2. Это ионный источник 70-х годов, разработанный для инжекторов Вода Рис. 10.1.2. Ионный источник без магнитного поля Н.Н. Семашко нейтральных атомов водорода. Параметры этого источника следующие. ГРК имеет прямоугольную форму размером 20смх12см. Вдоль длинных сторон расположены два катодных блока A) с пластинами ЬаВб, закрепленных в танталовые обоймы и подогреваемые излучением вольфрамовых спиралей B). Разрядный ток в ГРК ~ ~ 700 А. Ионная оптическая система (ИОС) источника C,4,5) трехэлектродная (эмитирующий, ускоряющий и'земляной электроды). В ИОС имеются три щели. Мощность ионного пучка на выходе источника — до 3 МВт, энергия ионов ~ 40кэВ, длительность рабочего импульса ~ 1,5 с. В данном источнике в ГРК отсутствует магнитное поле, что позволяет получить практически нешумящие ионные пучки. А это очень важно для сохранения квази- нейтральности пучка после его выхода из источника и последующего прохождения магнитных систем (см. рис. 10.1.3). Выходящий из источника ионный поток энергично "ищет" доступный источник электронов, чтобы нейтрализовать свой объёмный заряд и стать квазинейтральным, т. е. "плазменным". Если это космический двигатель, то на нем крепится специальный источник электронов — нейтрализатор ("катод-компенсатор"). Ионные источники особенно удобны, когда речь идет о высокоэнергичных по- токах ионов с малой массой (см. формулу Ленгмюра). Специфической формой ис- пользования высокоэнергичных ионных потоков является превращение их, за счет перезарядки, в нейтралы и последующий ввод в термоядерные ловушки с магнитным 508 Гл. 10. Примеры современных плазменных технологий К токамаку Рис. 10.1.3. Инжектор высокоэнергичных нейтральных атомов: 1 — ионный источник, 2 — газовая мишень для перезарядки (At + А —*> А* + А+, * — знак большой энергии), 3 — жалюзный магнитный экран, 4 — магнит, отклоняющий неперезарядившиеся ионы полем, где они и ионизуются (рис. 10.1.3). Отметим, что основной вклад в разработку мощных ионных источников для УТС в нашей стране внес коллектив Н. Н. Семашко [241]]. Г. Эрозионные источники плазмы. В предыдущих пунктах предполагалось, что в исходном состоянии рабочее вещество находится в виде газа и затем оно ионизует- ся. Однако во многих случаях исходным является твёрдое состояние. Под действием разряда вещество испаряется, и пары ионизуются. Конкретные зоны эрозии могут быть разными. В дуговых разрядах это обычно катоды (сварка, ртутные выпрямите- ли, катодные пятна на холодном катоде). В последнее время все большее внимание уделяют разрядам, в которых эродирует диэлектрик, разделяющий анод и катод. О них уже говорилось в разделе 7.4 и будет еще сказано вразделе 10.4. Д. Затормаживаемые гиперзвуковые потоки Наиболее яркими представителями этого типа генераторов плазмы являются метеориты, космические корабли, возвращающиеся на Землю, а также атомные взрывы. Ниже мы их касаться не будем, отметим только, что ударные волны большой амплитуды рассматривались в разделе
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Типы генераторов плазмы» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
