Экспериментальные исследования ускорителей со сплошными электродами
Ниже будем называть (квази) стационарные сильноточные (с собственным магнитным полем) коаксиальные плазменные ускорители с сплошными электродами просто "коаксиалами", если центральный электрод по длине близок к наружному электроду и "торцевыми сильноточными ускорителями (ТСУ)" если центральный электрод существенно более короткий 0. Системы, создающие компрес- сионные потоки, называют "магнитоплазменными компрессорами (МПК) (рис. 3.7.3). Рис. 3.7.3. Одноступенчатые коаксиальные ускорители с собственным магнитным полем и со сплошными электродами: а — "коаксиал", б — торцевой сильноточный ускоритель (ТСУ), 1 — катод, 2 — диэлектрик, 3 — анод, в — магнито-плазменный компрессор (МПК) К разобранным выше теоретическим схемам ближе всего подходит "коаксиал" КПУ-1, который к тому же был первым объектом достаточно тщательных физических исследований плазменных ускорителей этого типа, проводившихся в ИАЭ с начала 1960 г. Эксперименты проводились на установке, изображённой на рис. 3.7.4, которая работала в квазистационарном режиме. Длительность рабочего импульса траб ~ 1- 0 мс, с одной стороны не создавала трудностей с нагревом коаксиала и не требовала большой энергии (в данном случае, конденсаторной батареи), а с другой — выбранное 1) Торцевые ускорители плазмы без внешнего магнитного поля были предложены А. А По- ротниковым, а с внешним продольным полем были предложены в России И. Н. Острецовым [45] 182 Гл. 3. Двухжидкостные гидродинамические модели плазмы 1 Рис. 3.7.4. Схема установки КПУ-1 (ИАЭ): 1 — внешний электрод, 2 — внутренний электрод, 3 — буферный объём, 4 — пьезодатчики — измеритель давления, 5 — форобъём, б — клапан, 7 — отверстия в диафрагме. время было почти на два порядка больше пролётного времени L VM 3- 1(Г6с, где L — длина канала (~ 15 см), а ум — ожидаемая скорость истечения (~5х х 106см/с). При таком выборе траб, процесс можно было считать квазистационарным. Ускоритель помещался в вакуумную камеру. Подача газа (N2, Ar, H2) осуществ- лялась из буферного объёма, который импульсно наполнялся с помощью быстродей- ствующего клапана. Разрядные токи были ~ 20-100кА. Что же выяснилось в процессе экспериментов? Экспериментальные данные в большой степени были неожиданными, поскольку в 1959 г. особенности проявления эффекта Холла не были должным образом извест- ны, а исходными были представления одножидкостной МГД модели. Оказалось, что при малых разрядных токах (H2/Stt < nk(Ti + Te), линии элек- трического тока близки к радиальным, т. е. таким, которые предсказывает одножид- костная МГД. Особенно чётко этот эффект проявился при использовании в коаксиале длинного накалённого термокатода. Затем подробно этот режим изучался многими авторами на "сильноточных торцевых ускорителях" (рис. 3.7.36). Но если при постоянном расходе вещества m начать увеличивать разрядный ток J, то при некоем "критическом" значении J* картина резко изменяется. Прежде всего это видно на вольтамперной характеристике. А именно, если при J < J* напряжение U на разряде растёт с увеличением тока сравнительно медленно U ~ Ja, 2<a<3, C.7.2) то при J > J* напряжение начинает круто расти (рис. 3.7.5). При этом в ускорителе раскачиваются колебания большой амплитуды, существен- ная часть разрядного тока выносится за срез ускорителя. Вынесенный ток формирует область компрессии, хорошо видимую на фотографии (рис. 3.7.6). Вынос тока из канала становится вполне понятным, если вспомнить описанную в пп. 3.2.4 и 3.7.1 роль эффекта Холла при течении плазмы поперёк магнитного поля в канале с эквипотенциальными электродами. Там было показано, что в такой 3.7. Численные и экспериментальные исследования 183 20 40 60 I кА 20-, 4 /,кА Рис. 3.7.5. Вольтамперные характеристики: а — разряда в КПУ-1, (водород: т = 1,5 г/с A); т = = 4.5 г/с) B); б — торцевого сильноточного уско- рителя (ТСУ) на литии Рис. 3.7.6. Внешний вид выходяще- го потока и области компрессии на установке КПУ-1 системе, наряду с "омической" компонентой тока, идущей вдоль Е-поля, появляется продольная "холловская" компонента тока. Появление этой компоненты тока приводит к отжатию плазмы от анода. Понижение концентрации заряженных частиц в этой области увеличивает ujere и ещё больше усиливает ток вдоль анода и т. д. В результате, при дальнейшем небольшом измене- нии разрядного тока, происходит полная перестройка структуры разряда. Экспери- менты показали, что критический разрядный ток JKp связан с токовым эквивалентом расхода ^ J™" М' где е — заряд иона, М — его масса, соотношением /2 К(Г). C.7.3) Здесь К (Г) — практически универсальная величина, зависящая в основном от геометрии системы. Из C.7.3) в частности следует, что в докритическом режиме максимальная ско- рость истечения рабочего вещества (см. A.1.1)) т JrnM/e M' C-7.4) Иными словами, скорости при данной геометрии ускорителя тем больше, чем меньше атомная масса рабочего вещества. Поэтому на коаксиальных (квази)стационарых ПУ с собственным магнитным полем наибольшие скорости были достигнуты при использовании в качестве рабочего вещества водорода и лития. Выражению для максимальной скорости истечения можно придать другой вид, используя формулу Беннета B.4.10) для цилиндрического Z-пинча. Это особенно разумно в случае торцевых ПУ. Тогда, полагая число частиц N на единицу длины пинча равной (ш — массовый расход) т N = получим, используя B.4.10) и C.7.3), _ Л2Р _ 2NkT max c2m m 2кТ C.7.5) C.7.6) 184 Гл. 3. Двухжидкостные гидродинамические модели плазмы Т.е., как и следовало ожидать, критическая скорость оказывается порядка тепловой скорости частиц. г,см 11 9 7 5 5 7 9 11 , —¦ """V 2,0 — ^ У "^ — Рис. 3.7.7. Распределение линий тока (ai, аг) и эквипотенциалей Fi, 62) при разных полярно- стях в КПУ-1 в закритическом режиме. Рабочее вещество — азот, т ~ 5 г/с, Jp = 35 кА Физический смысл критического разрядного тока прост. Это тот ток, при котором в достаточно большом объёме ускорительного канала Холловский параметр иоете сравнивается по порядку с единицей 1. Если принять, что (см. E.3.16)) получаем: 7 C.7.7) C.7.? V enc C.7.9) Электронная температура, естественно, растёт с ростом разрядного тока. Полагая Te~J«, C.7.10) получаем условие появления "кризиса" иоете г Т2 1. C.7.11) Отсюда видно, что, приняв а = 2/3, что не противоречит явно опыту, мы получаем критерий C.7.3). 3.7. Численные и экспериментальные исследования 185 На установке, показанной на рис 3.7.4, были сняты карты линий электрического тока и эквипотенциалей при закритических разрядных токах. Они приведены на рис. 3.7.7 для двух полярностей электродов [89]. Здесь хорошо видны скольжения то- ка вдоль анода и образование прианодного скачка потенциала. Подробнее о влиянии этого на состояние поверхности анода будет сказано ниже (п. 7.6.6), а здесь отметим только одну особенность, когда центральный электрод является анодом. В этом случае скольжение тока ограничено концом анода, и на этом конце в пределах малого пятна диаметром ~ 1 см выделяется большая энергия. Это приводит к тому, что при длительности всего ~ 1 мс эта зона оплавляется при токе ^40кА, независимо от того, каков материал анода — медь или тантал. Рис. 3.7.8. СФР-граммы колебаний фронта ионизации, снятые через продольную щель: а — продольные колебания при разряде в водороде, б — вращательная неустойчивость фронта ионизации при разряде в азоте; в — схема потоков при вращательной неустойчивости; 1 — нейтральный газ, 2 — фронт ионизации, 3 — область плотного плазменного потока Заканчивая краткий обзор работы ускорителя КПУ-I, отметим ещё один факт. Если сделать продольную щель во внешнем электроде и зафиксировать свечение с помощью скоростной кинокамеры, то можно увидеть, как ведёт себя фронт иони- 186 Гл. 3. Двухжидкостные гидродинамические модели плазмы зации. Он колеблется — колебания в продольном направлении хорошо видны на водороде (рис. 3.7.8а), и качественно картина напоминает то, что даёт расчёт (см. раздел 6.9). Однако на азоте была обнаружена другая форма неустойчивости фронта ионизации — "вращательная спиновая" неустойчивость (рис. 3.7.86), схема которой изображена на рис. 3.7.8в.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Экспериментальные исследования ускорителей со сплошными электродами» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
