Физика/3. Физика плазмы и плазменная техника
к.ф.-м.н. Усеинов Б.М., м.т.н. Трапезников Е.В.
Северо-Казахстанский
Государственный университет им.М. Козыбаева, Республика Казахстан
Модель ускорителя слабоионизованного плазменного потока
В последние годы активно активно развиваются плазменные технологии, связанные
практическим осуществлением взаимодействия слабоионизованного плазменного
потока с поверхностью материалов, с целью улучшения их эксплуатационных
свойств. При реализации такого проекта необходимо решать проблему формирования
ускорения слабоионизованной плазмы до больших скоростей с повышенным
энергосодержанием [1]
Это также связано с областями использования слабоионизованной плазмы в научных исследованиях, разработке
технических проектов и технологических процессов. Например, неидеальная плазма
возникает при изучении плазматронов в лабораторных условиях, в ионосфере.
Таким образом, на сегодняшний день является
актуальным изучение свойств и характеристик слабоионизованной плазмы.
В данной работе предлагается
модель формирования и ускорения слабоионизованной плазмы КПУ со сплошным
наполнением рабочего газа (рисунок 1).
Рисунок 1. Модель формирования и ускорения
слабоионизованной плазмы
В предлагаемой модели лежит идея ионизации газа методом инжекции, используемого в токамаках
(разогнанные до больших скоростей ионы впрыскиваются в вакуумную камеру, где
находятся горячие электроны). В рассматриваемой модели вакуумная камера делится
на несколько отсеков, разделённых клапанами виде затворов, каждая из которых
подключается к форвакуумному насосу. Причём давление в каждой последующей
камере меньше предыдущего. В отсеке,
где размещена электродная система, подводится система подачи рабочего газа
(гелий, аргон, водород, кислород, азот). Источником запасаемой энергии служит
конденсаторная батарея общей емкостью C=3-75 мкФ и
номинальным напряжением 50 кВ, в качестве коммутирующего элемента может
использоваться ртутный разрядник ИРТ-6. Электродная система представляет собой
два медных электрода цилиндрической геометрии разделенных между собой слоем
изолятора. Электродная система помещается в вакуумную камеру изготовленную из нержавеющей
стали. Все элементы и узлы ускорителя: система подачи рабочего газа, затвор и
конденсаторная батарея работают синфазно. С этой целью используется
синхронизатор, который автоматически выставляет время задержки между подачей
газа в камеру, процессом ионизации газа, разрядом конденсаторной батареи и
отпиранием клапана.
Предлагаем принцип
работы данного ускорителя: одновременно откачиваются все вакуумные камеры до различных давлений, начиная с
давления p=10-5 мм.рт.ст.,
подаётся до напряжения U=15-20 кВ. С помощью игольчатого натекателя напускается 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. Синхронно с этим
автоматически открываются все клапаны разделяющие все камеры и образовавшийся
плазменный сгусток ускоряется, увеличивая скорость от одной камеры к другой и т.д. 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 разрядную ловушку. Значение токов и напряжений,
проходящих через плазму определяются с помощью пояса Роговского и ёмкостного
делителя напряжения, давление вакуумной камеры контролируется вакуумметром,
скорость плазменного потока можно определить с помощью зондов.
Предлагаем математическое
описание процессов формирования и ускорения слабоионизованной плазмы в рамках
электродинамической модели [2]. Система уравнении модели ускорения запишется в виде:
В случае малого
затухания получим
В модели учтено,
что вследствие кратковременного взаимодействия плазмы со стенками плазмопровода
джоулевым теплом можно пренебречь, предполагается, что конденсаторная батарея
полностью разряжается и принимаем энергию разряженного конденсатора равной нулю. С учётом сделанных допущений
получим конечное выражение для скорости
плазмы:
На рисунке 2
представлен набор графиков зависимости скорости плазменного потока при
начальных параметрах и при напряжении от 20000 В до 40000 В с шагом в
1000 В.
Полученный набор
графиков наглядно демонстрирует, что чем выше напряжение конденсатора, тем
большую скорость развивает плазменный сгусток. Причем явно видно, что при
увеличении напряжения конденсатора в 2 раза, скорость плазменного потока так же
увеличится в 2 раза.
Рассмотрим влияние
емкости конденсаторной батареи на форму графика скорости. Отклонение емкости от
начального значения составляет 50 мкФ в каждую сторону с шагом в
25 мкФ.
Как
показано на рисунке 3, с увеличением емкости конденсаторной батареи растёт максимальной скорости плазменного потока.
Эта зависимость не линейная. При
значении емкости 0,001 Ф максимальная расчетная скорость плазменного
сгустка будет около 950 м/с, а при значении емкости 0,002 Ф скорость
плазмы будет составлять 1350 м/с. То есть при увеличении емкости
конденсаторной батареи в 2 раза, скорость увеличится в 1,4 раза.
Рисунок 2. Графики зависимости скорости
при различных значениях напряжения
Рисунок 3. Графики
зависимости скорости при различных значениях емкости
Таким образом, в
работе представлена усовершенствованная модель формирования ускорения
слабоионизованной плазмы, основанная на пошаговом ускорении с возрастающей
скоростью, результаты компьютерного моделирования ускорения плазменного потока.
Пошаговое ускорение слабоионизованной плазмы препятствует распаду плазмы, что
возможно было бы при ускорении сразу в камере с очень низким давлением близким
к абсолютному вакууму.
Литература:
1. А. И. Морозов.
«Плазменные ускорители»: http://www.femto.com.ua/articles/part_2/2853.html.
2. Ермолич В.В.,
Усеинов Б.М. Использование методов компьютерного моделирования при исследовании
взаимодействия неидеальной плазмы с поверхностью материалов // VIII
Международная научно-практическая конференция: «Методы и средства подготовки
конкурентоспособных специалистов: теория и практика». – Омск. – 2014. – С.
77-79.