МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ И УСКОРЕНИЯ СЛАБОИОНИЗОВАННОЙ ПЛАЗМЫ В КПУ(КОАКСИАЛЬНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ) СО

МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ И УСКОРЕНИЯ СЛАБОИОНИЗОВАННОЙ
ПЛАЗМЫ В КПУ(КОАКСИАЛЬНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ) СО
СПЛОШНЫМ НАПОЛНЕНИЕМ РАБОЧЕГО ГАЗА.
Тема «EXPO-2017» – «Энергия будущего» актуальна и своевременна, в свете растущих
глобальных проблем, связанных с изменением климата, нарастающими кризисными явлениями в
водном, энергетическом и других секторах. Миру нужны новые пути развития – «Зеленая
экономика» и экологически безопасное развитие.
Одним из направлений развития «Энергетики будущего» являются проекты по использованию
управляемого термоядерного синтеза (УТС). Управляемый термоядерный синтез - процесс
слияния лёгких атомных ядер, проходящий с выделением энергии при высоких температурах в
регулируемых управляемых условиях.
Для создания, поддержания и управления условиями протекания термоядерной реакции с 50х
годов 20 века ведутся работы по созданию «термоядерных реакторов», - токомаков
(тороидальная камера с магнитными катушками) и стелораторов (замкнутая магнитная
ловушка для удержания высокотемпературной плазмы).
За последние десятилетия самым масштабным проектом в этой сфере науки является
Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER (ИТЭР) - International
Thermonuclear Experimental Reactor. Задача данного проекта заключается в демонстрации
возможности коммерческого использования термоядерного реактора и решении физических и
технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути.
В проекте ITER участвует множество развитых и развивающихся стран. Казахстан
представляют: Национальный Ядерный Центр Республики Казахстан (НЯЦ РК), Научноисследовательский институт экспериментальной и теоретической физики КазНУ им. Аль-Фараби,
Институт Ядерной Физики (ИЯФ), Ульбинский металлургический завод, КазНИПИЭнергопром,
Казэлектромаш.
Основной проблемой с которой сталкиваются все разработки в данном направлении является
проблема устойчивости плазмы, без решения которой не представляется возможным
осуществление управляемого термоядерного синтеза (УТР), по данному направлению ведутся
исследовательские работы направленные на поиск условий, при которых то или иное
стационарное состояние плазмы является устойчивым по отношению к малым вариациям
параметров и характеристик плазмы.
Таким образом, на сегодняшний день является актуальным изучение свойств и характеристик, а
также внутренних процессов происходящих в плазме.
В связи с этим необходимо разрабатывать новые и усовершенствовать существующие способы
получения плазмы с различными изначально заданными характеристиками для дальнейшего
изучения.
В настоящее время основным средством получения плазмы служат плазменные ускорители.
Под плазменными ускорителями (ПУ) понимают устройства, дающие квазинейтральные
плазменные потоки с достаточно высокой энергией ионов. Ближайшие соседи ПУ – классические
газодинамические системы, ускорители заряженных частиц и плазмотроны. Газодинамика обычно
имеет дело с электрически нейтральными потоками большой плотности, но малой энергии, не
превосходящей 1 эВ/нуклон. В ускорителях заряженных частиц присутствуют частицы одного
знака. С помощью электрических полей им можно сообщить огромные энергии, однако плотность
частиц в потоке ограничена объемным зарядом и поэтому невелика. В потоках, создаваемых ПУ,
энергия и плотность частиц могут достигать весьма больших значений. Это связано с тем, что в
ПУ ионы также ускоряются электромагнитным полем, но благодаря особенностям процесса
ускорения отпадает необходимость в отделении положительных частиц от отрицательных [1].
Исследования ускорителей плазмы, объясняют следующими причинами:

плазменные ускорители используются для моделирования астрофизических процессов, в
плазмохимии, получение новых материалов, создания чистых поверхностей;

плазменные ускорители являются эффективными источниками плазменных потоков,
представляющих больший интерес для исследователей как самостоятельные объекты
исследования.
Плазменные ускорители, устройства для получения потоков плазмы со скоростями 10–103 км/с и
более, что соответствует кинетической энергии ионов от ~10 эВ до 105–106 эВ. На нижнем пределе
энергии плазменные ускорители, соседствуют с генераторами низкотемпературной плазмы –
плазматронами, на верхнем – с коллективными ускорителями заряженных частиц. Как правило,
плазменные ускорители являются ускорителями полностью ионизованной плазмы, поэтому
процессы возбуждения и ионизации, а также тепловые процессы играют в них, в отличие от
плазматронов, вспомогательную роль.
Плазменные потоки с большими скоростями можно получить разными способами, например
воздействием лазерного луча на твёрдое тело. Однако к собственно плазменным ускорителям
относят лишь устройства, в которых ускорение и обычно одновременное приготовление плазмы
осуществляются за счёт электрической энергии с помощью одного или нескольких специальных
электрических разрядов [2].
Первыми ПУ, нашедшими различные применения, были импульсные плазменные пушки с
собственным магнитным полом. Из них наибольшее распространение получили появившиеся в
середине 50-х годов коаксиальные пушки, относящиеся к типу, который изображен на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схемы ускорительного канала с замкнутым дрейфом электронов (а) и коаксиальной
системы электродов с собственным магнитным полем (б)
Они состоят из двух цилиндрических электродов (катода и анода), импульсного клапана и
емкостного или индуктивного накопителя энергии. После включения клапана промежуток между
электродами начинает заполняться газом. В какой-то момент срабатывает разрядник и между
электродами происходит пробой. По образующейся плазменной перемычке протекает импульс
тока, который достигает обычно сотен кило Ампер и длится несколько микросекунд. В результате
взаимодействия радиальной составляющей тока Jr, текущего между электродами, с азимутальным
собственным магнитным нолем He возникает сила Ампера ~ JrHe, которая и ускоряет плазменный
сгусток. Сравнительно быстро удалось получить сгустки, скорости которых приближаются к
100 км/сек, что для ионов водорода соответствует энергии ~ 50 эВ. Однако попытки создать
сгустки с большой энергией встретили ряд существенных затруднении. Оказалось, что сгусток как
целое ускорить до больших энергий в коаксиальных пушках не удается из-за развития
неустойчивостей и сложных приэлектродных процессов. Тем не менее некоторому количеству
частиц сгустка удается сообщить энергию до ~ 10 кэВ [3].
Достоинством импульсных пушек является возможность генерации плазменных потоков,
плотность которых на 2–3 порядка превосходит плотность потоков, даваемых ускорителями с
замкнутым дрейфом. Однако для многих задач импульсные IIУ не годятся. Это объясняется их
невысоким КПД и самим фактом получения короткого сгустка, а не непрерывного потока. Кроме
того, процессы, происходящие в импульсных пушках, очень сложны, и оптимизация их связана с
большими трудностями. Все это стимулировало разработку стационарных и квазистационарных
сильноточных плазменных ускорителей с собственным магнитным полем.
Для ИПУ характерно, что развитие процессов в них можно представить в виде последовательных
стадий, а само плазменное образование состоит из ряда зон: плазменной перемычки в начальной
стадии разряда, заполнения плазмой межэлектродного зазора и образования токового слоя,
плазменного фокуса.
В связи с этим теоретические модели для описания процесса ускорения плазмы в ИПУ следует
применять не к системе в целом, а лишь к определенной стадии формирования потока. Наиболее
простой моделью процесса ускорения является электродинамическая модель, которая была
описана выше [4].
Также исследовался двухступенчатый ускоритель плазмы. В качестве первой ступени использован
инжектор с коническими электродами.
Водородная плазменная струя конического инжектора с концентрацией n~1016 см-3 замыкала
электрический контур второго каскада, состоящий из двух кольцевых электродов, конденсаторной
батареи и вакуумного разрядника. В результате взаимодействия схлопывающейся токовой
оболочки каскада с плазменной струей происходит дополнительное ускорение фронтовой её части
и торможение остальной. Получены скорости плазменных потоков
v  (4  8)  10 7 см / с [15].
Таким образом, процесс ускорения и структура плазменного сгустка зависит от многих факторов:
режима работы ускорителя, геометрии электродов (конические, цилиндрические, стержневые и
рельсотронные) и от способа подачи рабочего газа в плазмопровод.
Исходя из вышеизложенного анализа, существующие в настоящее время импульсные плазменные
ускорители можно разделить на два типа: коаксиальные плазменные ускорители и рельсотронные
ускорители. В свою очередь коаксиальные ускорители подразделяются на ускорители с
импульсным напуском газа, со сплошным наполнением рабочего газа и квазистационарные
импульсные плазменные ускорители.
Из анализа полных данных о структуре плазменных ускорителей, приведённых в работах следует,
что плазменные потоки, создаваемые коаксиальными ускорителями имеют сложную структуру и
большие градиенты основных параметров, и данные ускорители могут быть использованы в
качестве установок по формированию и ускорению неидеальной анизотропной плазмы.
В ходе изучения вопросов формирования и ускорения плазменного потока в коаксиальном
плазменном ускорителе были выявлены следующие проблемы:

ускорение слабоионизованной плазмы до больших скоростей с повышенным
энергосодержанием;

возможный распад плазмы, при ускорении в камере с очень низким давлением близким к
абсолютному вакууму.
Для решения второй из указанных проблем предлагается усовершенствовать модель
коаксиального плазменного ускорителя со сплошным наполнением рабочего газа и поделить
вакуумную камеру на несколько меньших камер, как показано на рисунке 2.
В рассматриваемой модели, начиная с уровня электродной системы монтируются несколько
затворов в виде клапанов. Таким образом, получаются несколько вакуумных камер, которые
подключены к форвакуумному насосу. Причём давление в каждой последующей камере меньше
предыдущего. В камере, где размещена электродная система, подводится система подачи рабочего
газа (гелий, аргон). Источником запасаемой энергии служит конденсаторная батарея общей
емкостью C=75 мкФ и номинальным напряжением 50 кВ, в качестве коммутирующего элемента
может использоваться ртутный разрядник ИРТ-6.
Рисунок 2 – Ускоритель с разделением вакуумной камеры
Электродная система представляет собой два медных электрода цилиндрической геометрии
разделенных между собой слоем изолятора. Электродная система помещается в вакуумную
камеру изготовленную из оргстекла. Работа системы подачи рабочего газа, затвор и
конденсаторная батарея работают синфазно. Для этого используются синхронизатор, который
автоматически выставляет время задержки между подачей газа в камеру, процессом ионизации
газа, разрядом конденсаторной батареи и отпиранием клапана.
Рассмотрим принцип работы такого ускорителя: откачиваем все вакуумные камеры одновременно
до различных значений давления, начиная с давления p=10-5 мм.рт.ст., заряжаем до напряжения
U=15–20 кВ. С помощью игольчатого натекателя напускаем газ в первую камеру до давления
p=10-3 мм.рт.ст. при котором автоматически происходит разряд конденсаторной батареи через
объем газа и образуется слабоионизованная плазма. В момент пробоя газа автоматически
открываются все клапаны разделяющие все камеры и образовавшийся плазменный сгусток
ускоряется, набирая скорость от одной камеры к другой и затем к выходу ускорителя. При этом
слабоионизованная плазма получает дополнительное ускорение за счет разности давления в
первой, второй и последующих камер вплоть до последней камеры.. В случае когда разряд
пройдет по воздуху необходимо использовать магнитную ловушку. Значение токов проходящих
через плазму можно определить используя пояс Роговского, а напряжение можно измерять с
помощью емкостного делителя напряжения, давление вакуумной камеры контролируется
вакуумметром.
Таким образом, предложена усовершенствованная модель ускорения слабоионизованной плазмы,
основанная на пошаговом ускорении с возрастающей скоростью. Пошаговое ускорение
слабоионизованной плазмы препятствует распаду плазмы, что возможно было бы при ускорении
сразу в камере с очень низким давлением близким к абсолютному вакууму. Таким способом
предлагается решить проблему стабильности плазменного сгустка в плазменном коаксиальном
ускорителе [5].
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Итоги науки и техники: физика плазмы. Т.5./Под ред. В.Д. Шафранова. –
М.: ВИНИТИ. – 1984. – 282 с.
2. Трубников Б.А. Теория плазмы. – М.: Наука. – 2003. – 461 с.
3. Сивков А.А., Исаев Ю.Н,. Васильева О.В, Купцов А.М. Математическое
моделирование коаксиального магнитоплазменного ускорителя. //Известия
Томского политехнического университета. Т.317. – Томск– 2010. – С. 38–42.
4. Физика и применение плазменных ускорителей /Под ред. А. И. Морозова,
– Минск. – 1974. – 448 с.
5. Воронин А.С., Усеинов Б.М. Совершенствование модели ускорителя
плазменного потока методом деления вакуумной камеры. // Материалы
межвузовской студенческой конференции «Конституция Республики
Казахстан – правовой феномен современности», посвященной 20-летию
Конституции Республики Казахстан. – Т.3. – Петропавловск: СКГУ. – 2015. –
С. 90–94.