ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ
PLASMA ACCELERATOR

Изобретение относится к плазменным ускорителям, конкретно, к устройствам, в которых плазма ускоряется под действием поля пондеромоторных сил, формируемых в скрещенных электромагнитных полях, создаваемых в рабочем объеме прибора.
Такие устройства находят применение в качестве реактивных двигателей, используемых в космических аппаратах, а также при реализации ряда плазменных технологий (напыление пленок, ионная имплантация, обработка поверхностей, генерация нейтронов и т.д.).
Общий принцип действия плазменного ускорителя описан в работе [1], на примере плазменного двигателя, в рабочем объеме которого сформированы взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля.
6
В работе [2] рассмотрены конструкции плазменных ускорителей с коаксиальной системой формирования поля пондеромоторных сил, ускоряющих плазму в продольном направлении. Общим недостатком этих устройств является сравнительно малая скорость (<10 м/с) ускоренных частиц плазмы, что не позволяет, например, их эффективно использовать для генерации нейтронов.
Этого недостатка лишен плазменный ускоритель, принцип действия которого описан в работе [3]. Это устройство может быть выбрано за прототип предлагаемого технического решения. Согласно прототипу плазменный ускоритель состоит из накопителя энергии в виде малоиндуктивного конденсатора, управляемого разрядника, спирального электрода, охватывающего лазерную мишень и импульсного лазера с системой синхронизации с управляемым разрядником. При работе устройства на спиральный электрод подается короткий, мощный импульс высокого напряжения, в результате чего формируются быстронарастающие скрещенные электромагнитные поля с радиальной составляющей магнитного поля и азимутальной составляющей электрического поля, создающие поле пондеромоторных сил, ускоряющих в продольном направлении плазму, образуемую при фокусировке лазерного излучения на твердотельную лазерную мишень.
Указанное устройство было изготовлено и исследовано. В результате его испытаний был выявлен существенный недостаток, связанный с низким КПД преобразования электрической энергии, запасаемой в емкостном накопителе генератора импульса тока, в кинетическую энергию ускоренной плазмы. И, как следствие, невысокая предельная скорость плазмы.
Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение конечной скорости ускоряемой плазмы и КПД преобразования запасаемой электрической энергии в кинетическую энергию плазмы.
s
1
1
s
4
2
3
2
2
3
3
3
Этот результат достигается тем, что плазменный ускоритель, содержащий генератор импульсов тока, источник плазмы и спиральный электрод с высотой h, первый вывод которого соединен с генератором импульса тока, а второй заземлен, дополнительно содержит первый магнитопровод в виде цилиндра высотой h и радиусом R, расположенный соосно внутри спирального электрода с радиусом R, постоянный магнит в виде пустотелого цилиндра высотой h, с внутренним радиусом R и внешним радиусом R, намагниченный по высоте и расположенный соосно спиральному электроду, второй магнитопровод в виде пустотелого цилиндра высотой h с внутренним радиусом R и с внешним радиусом R, соприкасающийся с правым торцом постоянного магнита и соосно охватывающий спиральный электрод, третий магнитопровод в виде диска с радиусом R, и высотой h, соприкасающийся своей правой поверхностью с левыми торцами постоянного магнита и первого магнитопровода, при этом все указанные магнитопроводы заземлены, третий магнитопровод имеет диэлектрический ввод для соединения первого вывода спирального электрода с генератором импульсов тока, а вышеуказанные размеры удовлетворяют следующим соотношениям:
4
5
При этом источник плазмы плазменного ускорителя выполнен в виде шайбы из диэлектрика с внутренним радиусом R и внешним радиусом R, охватывающей первый магнитопровод в области левого торца второго магнитопровода, при этом на правую поверхность шайбы из диэлектрика нанесены вставки из металла, занимающие 60-80% площади этой поверхности, при условии, что
Произведен компьютерный расчет плотности тока в плазме, величины радиальной компоненты магнитного поля между первым и вторым магнитопроводами, средней энергии ускоренных в плазме ионов. В результате расчета были выявлены возможные пределы изменения всех геометрических параметров магнитопроводов, спирального электрода постоянного магнита, отраженные в неравенствах (1). В неравенствах (2) отражены возможные пределы изменения радиальных размеров шайбы из диэлектрика с учетом рассчитанных пределов радиуса Дебая образующейся на поверхности шайбы плазмы и ларморовского радиуса электронов в зазоре между спиральным электродом и поверхностью плазмы в изолирующем электроны продольном магнитном поле спирального электрода.
1
2
3
4
Устройство со схематическими разрезами представлено на Фиг. 1. Плазменный ускоритель содержит следующие позиции: 1 - первый магнитопровод в виде цилиндра высотой h, 2 - второй магнитопровод в виде цилиндрической трубы высотой h, 3 - третий магнитопровод в виде диска высотой h, 4 - постоянный магнит в виде отрезка трубы высотой h, намагниченный по высоте, 5 - спиральный электрод, расположенный соосно между первым и вторым магнитопроводами, 6 - область ускорения плазмы в форме пустотелой трубы, 7 - шайба из диэлектрика со вставками из металла на поверхности шайбы, 8 - генератор импульса тока, 9 - электрический ввод от поз. 8 к поз. 5 через третий магнитопровод.
Устройство работает следующим образом. В результате срабатывания генератора импульса тока 8 в спиральном электроде 5 возбуждается электрический ток, создающий между первым и вторым магнитопроводами переменное продольное магнитное поле. Согласно закону электромагнитной индукции в пространстве между первым магнитопроводом и спиральным электродом возникает переменное азимутальное электрическое поле, вызывающее разряд по поверхности шайбы из диэлектрика 7 с образованием плазменного облака в области этого пространства, начиная с поверхности шайбы из диэлектрика 7 со вставками из металла до выхода из плазменного ускорителя в его правой части, и возбуждение азимутального электрического тока в образующейся плазме. При взаимодействии азимутального тока в плазме и радиальной составляющей поля постоянного магнита в зазоре между спиральным электродом и первым магнитопроводом возникает вдоль оси плазменного ускорителя возникает пондеромоторная сила ускоряющая плазму
1
2
3
1
s
2
3
4
0
0
-8
21
3
В примере конкретной реализации плазменного ускорителя в малогабаритном варианте рассчитаны следующие геометрические и электротехнические параметры: R=0.01 м, R=0.025 м, R=0.04 м, h=0.1 м, h=0.08 м, h=0.07 м, h=0.02 м, h=0,02 м, начальное напряжение га спиральном электроде U=50 кВ, волновое и активное сопротивление спирального электрода R=2 Ом, накопительная емкость генератора импульсов тока С=6.10 Ф. В качестве ускоряемых микрочастиц рассматривались однозарядные ионы меди (А=64), начальная концентрация электронов плазмы выбиралась равной 10 1/м.
Компьютерный расчет дал для средней энергии иона на выходе из рабочего объема ускорителя значение Т≈1 МэВ. Характер набора энергии вдоль высоты плазменного ускорителя прослеживается из расчетной кривой, представленной на Фиг. 2. По оси x отложена относительная высота ускорителя вдоль его оси, по вертикали - средняя энергия иона в единицах кэВ.
Увеличение предельной скорости плазмы и КПД плазменного ускорителя позволит повысить эффективность технологий плазменной обработки материалов, маневровых двигателей космических аппаратов, а также открывает возможность создания генераторов нейтронов без применения средств высоковольтной техники на полное ускорительное напряжение.
Источники информации
1. Чен Ф. Введение в физику плазмы, М., Мир, 1987, с. 26.
2. Морозов А.И. Плазменные ускорители. Физический энциклопедический словарь. М., Советская энциклопедия, 1983, с. 541-542.
3. Шиканов А.Е., Козловский К.И., Вовченко Е.Д., Лисовский М.И., Плеханов А.А., Исаев А.А. Ускорение лазерной плазмы в сильном нестационарном магнитном поле. Сборник научных трудов IV Международной конференции «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛАПЛАЗ-2018, М., НИЯУ МИФИ, 2018, с. 221-222.
4. Мельников Ю.А. Постоянные магниты электровакуумных СВЧ-приборов. М., Наука, 1986.