Движение автополяризованного плазменного потока (сгустка) в поперечном магнитном поле
Рассмотрим движение плазменного сгустка в поперечном магнитном поле или оказавшегося в таком поле потока, ограниченного 3.8. Динамика плазменных потоков в магнитных полях 191 Рис. 3.7.16. Магнитоплазменный компрессор (МПК): а — схема: 1 — анод (внешний электрод), состоящий из системы прямых стержней, 2 — катод конической формы с центральным отверстием; б — течение в МПК, Не, щ = 1 Тор, Щ = ЗкВ; в — СФР-граммы, показывающие эволюцию области компрессии во времени. Видна протяжённая и весьма устойчивая область компрессии в поперечном направлении. Если ларморовские радиусы электронов много меньше характерных размеров сгустка Ь: Re <С Ъ, C.8.1) то на первый взгляд могло бы показаться, что движение такого сгустка в магнитном поле вообще невозможно. Однако это не так. Оказывается, если с помощью, напри- мер, пушки, помещённой в магнитное поле, создать сгусток, то он будет двигаться и после выхода из пушки. Это связано с тем, что происходит "автополяризация" сгустка (рис. 3.8.1), в результате чего в объёме сгустка появляется однородное поперечное электрическое поле, называемое полем поляризации. Суть автополяри- зации состоит в том, что, попав в магнитное поле, ионы и электроны под его действием отклоняются в разные стороны, тем самым покрывая боковые стороны потока положительными и отрицательными зарядами. Под действием магнитного поля и поля поляризации частицы, находящиеся в плазменном объёме, дрейфуют со скоростью, равной начальной скорости сгустка vq, v0 = с [Е,Н] Я2 ' C.8.2) 192 Гл. 3. Двухжидкостные гидродинамические модели плазмы 11016см-3 8 z9cm 0 б 8 z,cm 1-10 8 z, см 1,5 Рис. 3.7.17. Мгновенные распределения плотной плазмы в области компрессии по- тока, выходящего из МПК, ИАЭ, А. К. Виноградова, ро = 0,25 Тор: а — t = = 30 мкс, разрядный ток Jp = 205 кА; б — t = 40 мкс, Jp = 160 кА; в — t = 60 мкс, Jp = 60кА 1,0 \\\\\\\\К\\\\\\\\\\Л\\\\\1\\У\\Х -0,2-1015 4,0 3,0 2,0 1,0 1 2 3 Рис. 3.7.18. Формирование "инерциальной" области компрессии: 1 — линии тока, 2 — линии равной плотности, 3 — траектории ионов (ТРИНИТИ, М. И. Пергамент) Видно, что выражение C.8.2) эквивалентно условию (при ре —> 0) C.8.3) Если можно считать, что вне сгустка вакуум, то тогда электрическое поле удовлетворяет уравнению Лапласа и имеет вид, изображённый на рис. 3.8.1. Если же вне сгустка существует редкая плазма, то картина электрического поля может оказаться значительно сложнее. Из только что изложенной картины движения плазменного сгустка вытекает ряд важных следствий. Прежде всего видно, что, если каким-либо образом снять поляризацию, то сгусток остановится. Нетрудно видеть, что снятие поляризации будет означать протекание тока через сгусток и некую внешнюю цепь. Взаимодей- ствие протекающего по сгустку тока с магнитным полем создает амперову силу, тормозящую сгусток. Можно сказать, что в данном случае мы имеем модель МГД- 3.8. Динамика плазменных потоков в магнитных полях 193 Рис. 3.8.1. Автополяризация оторванного от сте- нок плазменного сгустка, движущегося поперёк однородного магнитного поля Рис. 3.8.2. Фрагмент тороидальной магнитной конфигурации в торои- дальной системе координат генератора. Далее, на боковых сторонах сгустка там, где расположены поляриза- ционные заряды, поперечное электрическое поле меньше, чем в объёме сгустка. Поэтому боковые стороны сгустка будут двигаться медленнее, чем его середина. В результате за сгустком будет тянуться плазменный шлейф. Одновременно в этим будет происходить растекание плазменного сгустка, особенно зон поляризации, вдоль магнитного поля. Эксперименты хорошо подтверждают приведённые рассуждения. Рассмотрим несколько конкретных схем снятия поляризации. а. Если плазменный сгусток (или ограниченный в поперечных направлениях поток) движется в металлической трубе, то плазма, растекаясь вдоль магнитного поля, достигает этой трубы, и через неё возникает контакт между противоположно заряженными сторонами сгустка. В результате происходит, естественно, деполяриза- ция. б. Деполяризация может произойти и при движении сгустка в диэлектрической трубе существенно большего диаметра, чем сгусток Здесь, опять-таки растекаясь вдоль силовых линий, плазма достигает трубы, и если Е-поле, обязанное поляри- зации C.8.1), достаточно велико, то, благодаря "пристеночной проводимости" (см. п. 7.3.2), вблизи диэлектрической стенки протекает ток, который и производит депо- ляризацию. А о том, насколько может быть велико напряжение U между боковыми сторонами сгустка, можно судить по такому примеру. При Н = 3 • 103 Э, v = 107 см/с, D = 5 см, имеем UAb = D-H= 1500Б. с Здесь D — ширина сгустка. в. В разделе 1.7 говорилось о тороидальном дрейфе, приводящем к поляризации, и о способах борьбы с ней. Способность тороидальный конфигураций с вложенными магнитными поверхностями снимать поляризацию осложняет проблему инжекции плазмы в такие системы. Поэтому в тороидальные системы энергичную плазму обычно создают путём нагрева в самой ловушке джоулевым теплом или с помощью СВЧ-волн, либо путём инжекции энергичных нейтральных атомов, которые прони- зывают магнитные поля, а затем ионизуются в плазменном объёме (подробнее см. раздел 10.1).
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Движение автополяризованного плазменного потока (сгустка) в поперечном магнитном поле» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
