Плазменная электроника для решения проблем энергетики

УДК 537.538

А.С.МУСТАФАЕВ

Санкт-Петербургский государственный горный институт

ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГЕТИКИ

Впервые в мире разработаны магнитный и зондовый методы диагностики анизотропной плазмы. Созданы современные цифровые измерительно-вычислительные комплексы, плазменные установки, приборы плазменной энергетики нового поколения и специальные математические программы для фундаментальных исследований анизотропной плазмы. Разработки СПГГИ (ТУ) используются для решения проблем плазменной энергетики.

For the first time magnetic and probe technique for diagnostics of anisotropic plasma have been worked out. Contemporary digital measuring methods, plasma plants and new generation devices of plasma energetics as well as special mathematical programs for fundamental investigations of anisotropic plasma were created. The inventions of St. Petersburg Mining institute are used for solving of plasma energetic problems.

Актуальность проблемы. Космическая ядерная энергетика является сегодня одним из важнейших факторов обороноспособности, экономики и политики ведущих стран мира. Достижения России в этой области во многом зависят от успехов в создании плазменных термоэмиссионных реакторов-преобразователей (ТЭП) нового поколения (Постановление Правительства РФ № 144 «Концепция развития космической ядерной энергетики в России» от 02.02.1998 г.).

Для решения проблем плазменной энергетики при создании современных орбитальных станций и боевых космических аппаратов нового поколения необходимы эффективные электронные устройства, способные работать в условиях космоса, магнитных полей, метеорных потоков, высокого уровня радиации и температуры среды выше 1000 К.

В подобных режимах невозможна эксплуатация современной полупроводниковой электронной техники. Экстремальным требованиям могут удовлетворить лишь приборы плазменной электроники, использующие сильнонеравновесную, анизотропную плазму.

В СПГГИ (ТУ) создан цифровой измерительный комплекс и специализированные

плазменные установки (рис.1) для исследования термоэмиссионных преобразователей энергии, плазменных преобразователей тока (рис.2), а также сильноточных управляемых стабилизаторов на базе пучкового разряда в инертных газах. В этих устройствах используются кнудсеновская плазма с поверхностной ионизацией и анизотропная плазма с объемной ионизацией.

Широкое внедрение плазменных приборов в промышленность сдерживается сегодня рядом нерешенных физико-технических проблем. Важное место среди них принадлежит приэлектродной проблеме, решение которой связано с пониманием процессов, происходящих на электродах и в приэлектродной плазме. Малые пространственные размеры, высокие концентрации заряженных частиц, анизотропные функции распределения, сильные электрические поля и многообразие процессов делают невозможным использование традиционных методов для диагностики такой плазмы.

В связи с этим разработка новых методов диагностики, фундаментальные исследования анизотропной плазмы и создание эффективных плазменных приборов, предназначенных для работы в составе космиче-

Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования анизотропной плазмы с вакуумной камерой 450 мм, тремя турбомолекулярными насосами

Рис.2. Цезий-бариевый плазменный

преобразователь тока 1, 5 - термопары; 2 - анод; 3 - катод; 4 - электронная пушка; 6, 10 - алундовая изоляция; 7 - сапфировое окно; 8 - полость пирометрирования; 9 - управляющий электрод

ских ядерных энергетических установок нового поколения, сформулированы в числе приоритетных проблем в перспективном плане Академии наук России.

В основу методологии исследования анизотропной плазмы положен принцип моделирования физических явлений, включающий создание модельных объектов, измерение параметров анизотропной плазмы, построение самосогласованных теоретических моделей и сравнение результатов теории с экспериментом. Моделировались кнудсеновская плазма с поверхностной ионизацией и пучковая плазма с объемной ионизацией.

Принцип моделирования поясним на примере анизотропной плазмы с поверхностной ионизацией. Плазма создается в условиях кнудсеновского цезий-бариевого диода с поверхностной ионизацией (КДПИ). Ионы рождаются за счет поверхностной ионизации атомов цезия, поступающих из межэлектродного промежутка; электроны - за счет термоэлектронной эмиссии. Анод, поглощающий заряженные частицы, располагается параллельно катоду на расстоянии, меньшем длины свободного пробега электронов. Силы, действующие на заряженные частицы в плазме, обусловлены самосогласованным электрическим полем. Изменени-

ем давления паров бария регулируется работа выхода катода, что позволяет в широких пределах варьировать концентрации заряженных частиц, напряженность электрического поля в прикатодном слое, направленную скорость электронов, исследовать условия возникновения двойных потенциальных слоев в плазме и их влияние на кинетику процессов переноса тока. Это делает КДПИ хорошей моделью приэлектродной анизотропной плазмы с поверхностной ионизацией.

Бинарная плазменная среда цезия и бария в безразрядном режиме применена для создания кнудсеновского ТЭП, а в дуговом режиме - для разработки импульсных сильноточных преобразователей тока. Моделирование приэлектродных процессов в плазме с объемной ионизацией и исследование динамики релаксации функции распределения электронов проводилось в низковольтном пучковом разряде в легких инертных газах.

Анизотропная плазма исследована непосредственно в реальных условиях термоэмиссионных приборов электроэнергетики. Измерены функции распределения электронов, параметры плазмы цезия, бария, легких инертных газов, исследовано влияние эмиссионных характеристик поверхности на параметры приэлектродной плазмы. Вырабо-

- 187

Санкт-Петербург. 2005

таны рекомендации для практического использования результатов.

Практическая реализация

1. Создано новое направление в методологии диагностики плазмы - методы исследования угловых и пространственно-энергетических параметров анизотропных функций распределения электронов [1, 2, 5, 7]. Впервые получена экспериментальная информация о кинетике сильноанизотропной плазмы.

2. Разработан электронно-поляризационный метод диагностики анизотропной плазмы, позволяющий в условиях минимума априорной информации измерять энергетические параметры плазмы удаленных астрофизических объектов [3].

3. Впервые в устройствах космической плазменной энергетики, работающих в режимах термоэмиссионного преобразователя тепловой энергии в электрическую, ключевых преобразователей тока, а также стабилизаторов тока и напряжения, успешно применены разработанные методы диагностики. Оптимизированы конструкции плазменных устройств. Получены рекордные, никем в мире не превзойденные, энергетические параметры плазменных преобразователей тока и напряжения [4].

4. Разработанные методы диагностики и плазменные энергетические приборы но-

вого поколения удостоены шести премий Президиума РАН по особо важным работам [Там же]. Результаты исследований получили международное признание и включены в современную энциклопедию низкотемпературной плазмы [6].

Выполненные в СПГГИ (ТУ) фундаментальные исследования и разработки в области физики плазмы и плазменной энергетики имеют важное значение для развития наукоемких технологий и обороноспособности страны.

ЛИТЕРАТУРА

1. МустафаевА.С. Метод плоского одностороннего зонда для диагностики анизотропной плазмы / А.С.Мустафаев, В.Ф.Лапшин // ЖТФ. 1989. Т.59. № 2. C.35-45.

2. Мустафаев А.С. Динамика электронных пучков в плазме // ЖТФ. 2001. Т.71. № 4. C.111-121.

3. Мустафаев А.С. Электронно-поляризационные исследования функции распределения электронов в анизотропной плазме / А.С.Мустафаев, А.П.Мезенцев // ЖТФ. 2000. Т.70. № 11. C.24-30.

4. Мустафаев А.С. Методы диагностики анизотропной плазмы в термоэмиссионных приборах электроэнергетики / Автореф. ... докт. физ.-мат. наук. Обнинск: ОНТИ ФЭИ, 2003. 63 с.

5. Федоров В.Л. Определение функции распределения электронов по скоростям в аксиально-симметричной плазме // ЖТФ. 1985. Т.55. № 5. С.926-929.

6. Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под ред. В.Е.Фортова. М.: Наука, 2000. Т.1-4.

7. Mustafaev A.S. Probe investigations of anisotropic EVDF in plasma / A.S.Mustafaev, V.L.Fedorov, A.P.Mezentsev / Edited by U.Kortshagen, L.Tsendin / NY& London: Plenum Press, 1998. 545 p.