ПЛА́ЗМЕННЫЕ УСКОРИ́ТЕЛИ

ПЛА́ЗМЕННЫЕ УСКОРИ́ТЕЛИ, плаз­мо­ди­на­мич. уст­рой­ст­ва для по­лу­че­ния по­то­ков плаз­мы с энер­ги­ей ио­нов от 10 эВ и вы­ше. На ниж­нем пре­де­ле энер­гии П. у. со­сед­ст­ву­ют с ге­не­ра­то­ра­ми низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы – плаз­мо­тро­на­ми, на верх­нем – с кол­лек­тив­ны­ми ус­ко­ри­те­ля­ми за­ря­жен­ных час­тиц (см. Кол­лек­тив­ные ме­то­ды ус­ко­ре­ния). На ста­цио­нар­ных П. у. по­лу­че­ны по­то­ки час­тиц с энер­ги­ей до 10⁴ эВ, а на им­пульс­ных – до 10⁷ эВ.

В от­ли­чие от ус­ко­ри­те­лей за­ря­жен­ных час­тиц од­но­го зна­ка (элек­тро­нов, про­то­нов), в ка­на­ле П. у. на­хо­дят­ся од­но­вре­мен­но час­ти­цы с за­ря­да­ми обо­их зна­ков – по­ло­жи­тель­ные ио­ны и элек­тро­ны, ква­зи­нейт­раль­ностъ плаз­мы не на­ру­ша­ет­ся. Это сни­ма­ет ог­ра­ни­че­ния, свя­зан­ные с про­стран­ст­вен­ным за­ря­дом, и по­зво­ля­ет, напр., по­лу­чать ква­зи­ста­цио­нар­ные (т. е. дли­тель­но­стью 10^–2–10^–3 с) плаз­мен­ные по­то­ки с эф­фек­тив­ным то­ком ио­нов по­ряд­ка 1 млн. А при энер­гии час­тиц 100 эВ.

Рис. 1. Принципиальная схема плазменного ускорителя.

Плаз­мен­ные по­то­ки с боль­ши­ми ско­ро­стя­ми мож­но по­лу­чить разл. спо­со­бами, напр. воз­дей­ст­ви­ем ла­зер­но­го из­лу­че­ния на твёр­дое те­ло. Ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли П. у., в ко­то­рых ус­ко­ре­ние и соз­да­ние плаз­мы осу­ще­ст­в­ля­ют­ся с по­мо­щью элек­трич. раз­ря­да в га­зе. На рис. 1 пред­став­ле­на прин­ци­пи­аль­ная схе­ма та­ко­го П. у.: в ка­ме­ру по­да­ёт­ся газ, ко­то­рый под дейст­ви­ем элек­трич. по­ля прев­ра­ща­ет­ся в плаз­му.

При ана­ли­зе ра­бо­че­го про­цес­са в П. у. плаз­му мож­но рас­смат­ри­вать и как спло­ш­ную сре­ду, и как со­во­куп­ность час­тиц (ио­нов и элек­тро­нов). В рам­ках пер­во­го под­хо­да ус­ко­ре­ние плаз­мы обу­слов­ле­но пе­ре­па­дом пол­но­го (ион­но­го $p_i$ и элек­трон­но­го $p_e$) дав­ле­ния $p=p_i+p_e$ и дей­ст­ви­ем си­лы Ам­пе­ра $\boldsymbol F_A$ (см. Ам­пе­ра за­кон), воз­ни­каю­щей при взаи­мо­дей­ст­вии то­ка, те­ку­ще­го в плаз­ме, с маг­нит­ным по­лем: $\boldsymbol F_A∝[\boldsymbol j\boldsymbol B]$, где $\boldsymbol j$ – плот­ность то­ка в плаз­ме, $\boldsymbol B$ – ин­дук­ция маг­нит­но­го по­ля.

В рам­ках вто­ро­го под­хо­да ус­ко­ре­ние ио­нов объ­яс­ня­ет­ся дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля на­пря­жён­но­стью $\boldsymbol E$, столк­но­ве­ния­ми на­прав­лен­но­го по­то­ка элек­тро­нов («элек­трон­но­го вет­ра») с ио­на­ми и столк­но­ве­ния­ми ио­нов с ио­на­ми, бла­го­да­ря ко­то­рым энер­гия хао­тич. дви­же­ния ио­нов пе­ре­хо­дит в энер­гию на­прав­лен­но­го дви­же­ния (те­п­ло­вое или га­зо­ди­на­мич. ус­ко­ре­ние ио­нов). Наи­бо­лее час­то в П. у. при­ме­ня­ет­ся ус­ко­ре­ние ио­нов элек­трич. по­лем, для соз­да­ния ко­то­ро­го нуж­но иметь боль­шие гра­ди­ен­ты $p_e$ (ре­аль­но – боль­шую элек­трон­ную темп-ру $T_e$) ли­бо маг­нит­ное по­ле и дрейф элек­тро­нов.

П. у. де­лят­ся на те­п­ло­вые и элек­тро­маг­нит­ные в за­ви­си­мо­сти от то­го, пре­об­ла­да­ет ли в про­цес­се ус­ко­ре­ния пе­ре­пад пол­но­го дав­ле­ния $p$ или си­ла Ам­пе­ра. Сре­ди те­п­ло­вых П. у. осн. ин­те­рес пред­став­ля­ют не­изо­тер­мич. ус­ко­ри­те­ли, в ко­то­рых $p_r \gt p_i$. Кон­ст­рук­тив­но ста­цио­нар­ный не­изо­тер­мич. П. у. пред­став­ля­ет со­бой «маг­нит­ное со­пло», в ко­то­ром пу­тём ин­жек­ции бы­ст­рых элек­тро­нов ли­бо с ис­поль­зо­ва­ни­ем элек­трон­но­го цик­ло­трон­но­го ре­зо­нан­са соз­да­ют плаз­му с го­ря­чи­ми элек­тро­на­ми [$T_e$≈10⁷–10⁹ К (10³–10⁵ эВ)]. Элек­тро­ны, стре­мясь по­ки­нуть ка­ме­ру, соз­да­ют объ­ём­ные за­ря­ды (без на­ру­ше­ния ква­зи­нейт­раль­но­сти), элек­трич. по­ле ко­то­рых «вы­тя­гива­ет» (ус­ко­ря­ет) ио­ны, со­об­щая им энер­гию по­ряд­ка $kT_e$. Кро­ме ста­цио­нар­ных, соз­да­ны им­пульс­ные не­изо­тер­мич. П. у., в ко­то­рых ис­поль­зу­ют­ся ре­ля­ти­ви­ст­ские элек­трон­ные пуч­ки.

Рис. 2. Электромагнитные плазменные ускорители: а – схема радиационного плазменного ускорителя (КМП – катушки магнитного поля; В – волновод; П – плазменный сгусток; ЭВ – ...

Элек­тро­маг­нит­ные П. у. под­раз­де­ля­ют­ся по ха­рак­те­ру под­во­да энер­гии к плаз­ме на 3 клас­са: ра­ди­ационные ус­ко­ри­тели, в ко­то­рых ус­ко­ре­ние плаз­мен­но­го по­то­ка про­ис­хо­дит за счёт дав­ле­ния элек­тро­маг­нит­ной вол­ны, па­даю­щей на плаз­мен­ный сгу­сток (рис. 2, а); ин­дук­ци­он­ные ус­ко­ри­те­ли – им­пульс­ные сис­те­мы, в ко­то­рых внеш­нее на­рас­таю­щее маг­нит­ное по­ле $\boldsymbol B$ ин­ду­ци­ру­ет в плаз­мен­ном коль­це ток (рис. 2, б), взаи­мо­дей­ст­вие ко­то­ро­го с ра­ди­аль­ной со­став­ляю­щей внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля соз­да­ёт си­лу Ам­пе­ра, имен­но она ус­ко­ря­ет плаз­мен­ное коль­цо; элек­трод­ные П. у., в ко­торых су­ще­ст­ву­ет не­по­средств. кон­такт ус­ко­ряе­мой плаз­мы с элек­тро­да­ми, под­клю­чён­ны­ми к ис­точ­ни­ку на­пря­же­ния. Наи­бо­лее изу­че­ны мно­го­числ. ви­ды элек­трод­ных плаз­мен­ных ус­ко­ри­те­лей.

Рис. 3. Плазменные ускорители с собственным магнитным полем: а – схема рельсотрона (К – переключатель; П – плазменный сгусток; Р – электроды-рельсы); б – схема коаксиальн...

Пер­вым П. у. был рель­со­трон – им­пульс­ный элек­трод­ный П. у., пи­тае­мый кон­ден­са­тор­ной ба­та­ре­ей C. Плаз­мен­ный сгу­сток соз­да­ёт­ся ли­бо в ре­зуль­та­те эро­зии ди­элек­трич. встав­ки под дей­ст­ви­ем сколь­зя­ще­го раз­ря­да, ли­бо при про­пус­ка­нии боль­шо­го то­ка че­рез тон­кую про­во­ло­ку, на­тя­ну­тую ме­ж­ду мас­сив­ны­ми элек­тро­да­ми-рель­са­ми (рис. 3, а), ко­то­рая при этом ис­па­ря­ет­ся и ио­ни­зу­ет­ся, ли­бо за счёт ио­ни­за­ции га­за, впры­ски­вае­мо­го в ме­жэ­лек­трод­ный про­ме­жу­ток че­рез спец. кла­пан К. При раз­ря­де на ток в плаз­мен­ной пе­ре­мыч­ке П дей­ст­ву­ет собств. маг­нит­ное по­ле элек­трич. кон­ту­ра, в ре­зуль­та­те че­го за вре­мя по­ряд­ка 1 мкс про­ис­хо­дит ус­ко­ре­ние сгу­ст­ка.

В нач. 1960-х гг. поя­ви­лись им­пульс­ные ко­ак­си­аль­ные ус­ко­ри­те­ли, обыч­но ра­бо­таю­щие на га­зе (рис. 3, б), хо­тя ис­поль­зу­ют­ся и «эро­зи­он­ные» П. у., в ко­то­рых ра­бо­чим ве­ще­ст­вом слу­жат про­дук­ты эро­зии ди­элек­трич. встав­ки ДВ ли­бо па­ры́ элек­тро­дов. Им­пульс­ные П. у., ра­бо­таю­щие на во­до­ро­де, по­зво­ля­ют по­лу­чать по­то­ки со ско­ро­стя­ми ≈10⁸ см/с (10 кэВ/час­ти­ца) с об­щим энер­го­со­дер­жа­ни­ем ок. 1 МДж (ок. 10²² час­тиц/им­пульс).

Рис. 4. Стационарные сильноточные плазменные ускорители: а – схема торцевого плазменного ускорителя (ДВ – диэлектрическая вставка); б – схема торцевого магнитоплазменного ускорителя ...

Ко­ак­си­аль­ные П. у. мож­но сде­лать ста­цио­нар­ны­ми, ес­ли под­дер­жи­вать на­пря­же­ние и не­пре­рыв­но по­да­вать ме­ж­ду элек­тро­да­ми ра­бо­чее ве­ще­ст­во. Для оп­ти­ми­за­ции про­цес­са в слу­чае ра­бо­ты на га­зе ка­нал на­до де­лать пе­ре­мен­ной ши­ри­ны (рис. 4, а). Ес­ли анод сде­лать сплош­ным, то при по­сто­ян­ной по­да­че ра­бо­че­го ве­ще­ст­ва и не­пре­рыв­ном уве­ли­че­нии раз­ряд­но­го то­ка $I_р$ ско­рость ис­те­че­ния плаз­мы и кпд ус­ко­ри­те­ля сна­ча­ла бу­дут рас­ти, но при не­ко­то­ром зна­че­нии $I_р$ про­ис­хо­дит вы­нос боль­шой час­ти раз­ряд­но­го то­ка за срез ус­ко­ри­те­ля, на­пря­же­ние рез­ко воз­рас­та­ет, па­да­ет кпд, в ус­ко­ри­те­ле воз­ни­ка­ют ко­ле­ба­ния. На­сту­па­ет т. н. кри­тич. ре­жим. Для его уст­ра­не­ния ис­поль­зу­ют не сплош­ной, а по­рис­тый или стерж­не­вой анод. Наи­бо­лее час­то та­кая схе­ма при­ме­ня­ет­ся в ква­зи­ста­цио­нар­ных П. у., ра­бо­таю­щих при мощ­но­стях ≈10⁸ Вт с дли­тель­но­стью им­пуль­са ≈1 мс.

В ста­цио­нар­ных ко­ак­си­аль­ных П. у. боль­шой на­груз­ке под­вер­га­ет­ся не толь­ко анод, но и ка­тод, где пре­ва­ли­ру­ют те­п­ло­вые на­груз­ки вслед­ст­вие ги­бе­ли ио­нов. В об­лас­ти уме­рен­ных мощ­но­стей (≈10⁴ кВт) эта про­бле­ма ре­ша­ет­ся пе­ре­хо­дом на «тор­це­вую» схе­му с ко­рот­ким ка­то­дом, че­рез ко­то­рый од­но­вре­мен­но по­да­ёт­ся ра­бо­чее ве­ще­ст­во.

На нор­маль­но ра­бо­таю­щих тор­це­вых П. у. с собств. маг­нит­ным по­лем при раз­ряд­ных то­ках ок. 10⁴ А уда­ёт­ся по­лу­чить ста­цио­нар­ные по­то­ки плаз­мы со ско­ро­стя­ми 50 км/с. Тор­це­вой П. у. ста­но­вит­ся не­ра­бо­то­спо­соб­ным не толь­ко при боль­ших, но и при ма­лых раз­ряд­ных то­ках $I_р$. Что­бы уве­ли­чить его эф­фек­тив­ность при ма­лых мощ­но­стях, в ра­бо­чем ка­на­ле соз­да­ют внеш­нее маг­нит­ное по­ле (рис. 4, б). По­лу­чаю­щий­ся П. у. на­зы­ва­ют тор­це­вым хол­лов­ским или маг­ни­то­плаз­мен­ным ус­ко­ри­те­лем. Он по­зво­ля­ет по­лу­чать по­то­ки плаз­мы со ско­ро­стя­ми в де­сят­ки км/с при мощ­но­сти 10 кВт. Важ­ная осо­бен­но­сть тор­це­вых П. у. – спо­соб­ность соз­да­вать по­то­ки час­тиц с энер­ги­ей, в неск. раз пре­вос­хо­дя­щей при­ло­жен­ную раз­ность по­тен­циа­лов. Это объ­яс­ня­ет­ся ув­ле­че­ни­ем ио­нов элек­трон­ным по­то­ком, иду­щим из ка­то­да (элек­трон­ным вет­ром).

Пе­ре­ход в об­ласть мощ­но­стей >10⁷ Вт и ско­ро­стей ис­те­че­ния 10⁷ см/с тре­бу­ет не толь­ко ис­поль­зо­ва­ния ион­но­го то­ко­пе­ре­но­са, но и за­щи­ты ка­то­да от те­п­ло­вых пе­ре­гру­зок. В этих ус­ло­ви­ях мож­но при­ме­нить длин­ный ка­тод и для про­пус­ка­ния то­ка ис­поль­зо­вать его бо­ко­вую по­верх­ность, как это сде­ла­но в ко­ак­си­аль­ном им­пульс­ном П. у. Од­на­ко для обес­пе­че­ния ста­цио­нар­но­сти те­че­ния за­зор ме­ж­ду элек­тро­да­ми дол­жен иметь су­же­ние.

Для по­лу­че­ния ста­цио­нар­ных по­то­ков ма­лой мощ­но­сти (100 Вт) или по­токов час­тиц с боль­ши­ми ско­ро­стя­ми (10⁸ см/с) ис­поль­зу­ют­ся П. у. «с замк­ну­тым дрей­фом». В них ме­ж­ду ано­дом и ка­то­дом при­ло­же­на раз­ность по­тен­циа­лов и элек­тро­ны на­чи­на­ют дрей­фо­вать пер­пен­ди­ку­ляр­но элек­трич. и маг­нит­но­му по­лям, опи­сы­вая кри­вые, близ­кие к цик­лои­де. Дли­на ус­ко­ри­тель­но­го ка­на­ла $L$ вы­би­ра­ет­ся мно­го боль­ше вы­со­ты элек­трон­ной цик­лои­ды $h_e$. Вы­со­та ион­ной цик­лои­ды $h_i$ в си­лу боль­шой мас­сы $m_i$ ио­на в $m_i/m_е$ раз пре­вос­хо­дит вы­со­ту элек­трон­ной цик­лои­ды ($m_е$ – мас­са элек­тро­на). По­это­му ес­ли сде­лать $L≪h_i$, то ио­ны бу­дут сла­бо от­кло­нять­ся маг­нит­ным по­лем и под дей­ст­ви­ем элек­трич. 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. Су­ще­ст­ву­ет неск. ви­дов П. у. с замк­ну­тым дрей­фом, ко­то­рые по­зво­ля­ют по­лу­чать плаз­мен­ные по­то­ки с эф­фек­тив­ным то­ком ио­нов от еди­ниц до со­тен А с энер­ги­ей от 100 эВ до 10 кэВ и бо­лее (в ста­цио­нар­ном П. у.); в им­пульс­ных П. у. по­лу­ча­ют ион­ные то­ки до 1 МА с энер­ги­ей 1 МэВ. Дли­тель­ность им­пуль­са та­ких сис­тем со­став­ля­ет обыч­но до­ли мкс.

П. у. при­ме­ня­ют­ся как плаз­мен­ные дви­га­те­ли, в тех­но­ло­гии для чи­ст­ки по­верх­но­стей (ме­то­дом ка­тод­но­го рас­пы­ле­ния), на­не­се­ния ме­тал­лич. плё­нок на разл. по­верх­но­сти, в ис­сле­до­ва­ни­ях по ио­но­сфер­ной аэ­ро­ди­на­ми­ке, в тер­мо­ядер­ных ис­сле­до­ва­ни­ях (в ка­че­ст­ве ин­жек­то­ров плаз­мы), в плаз­мо­хи­мии, ла­зер­ной тех­ни­ке, для ак­тив­ных экс­пе­ри­мен­тов в кос­мо­се и др.