Физика плазмы, 2022, T. 48, № 4, стр. 300-305

1. ВВЕДЕНИЕ

Первый ускоритель плазмы, разгоняющий ее до скоростей ∼100 км/с, был создан в 1955 г. и нашел впоследствии широкое применение в работах по управляемому термоядерному синтезу, облучению материалов, моделированию взаимодействия плазмы с магнитным полем в космосе и др. Идея ускорителя, разработанная Л.А. Арцимовичем, состояла в расширении замкнутого контура при пропускании через него импульса тока [1]. В основном разработка ускорителей плазмы ведется в направлении увеличения кинетической энергии струи без учета примесей, поступающих в разряд в результате эрозии электродов [2, 3]. Энергию струи увеличивают за счет большого тока разряда. Такой подход оправдан, например, при разработке плазменных двигателей и исследовании взаимодействия плазмы с поверхностью. Однако применение ускорителя для подачи топлива в термоядерные установки возможно лишь при отсутствии посторонних примесей в потоке из-за высоких радиационных потерь. Поэтому увеличивать кинетическую энергию плазмы без примесей необходимо только за счет роста скорости ее движения.

В настоящей работе представлены экспериментальные результаты по изучению скорости движения плазмы в коаксиальном и рельсовом ускорителях. Получены зависимости скорости, кинетической энергии, массы и спектрального состава струи от величины тока ускорителя.

2. ЭКСПЕРИМЕНТ

Эксперименты проводились на стенде, оснащенном коаксиальным и рельсовым ускорителями плазмы. Стенд состоял из вакуумной камеры 1 объемом 2.5 м³, ускорителя плазмы 2, и диагностик 8–12  для измерения параметров плазменной струи (рис. 1a). Стенд позволял присоединять к вакуумному затвору камеры различные варианты плазменных источников. Ускоритель был пристыкован к камере через вакуумный затвор 7 и гальванически развязан с помощью керамического патрубка 6. Струя плазмы могла свободно вытекать в большой объем камеры без взаимодействия с ее стенками. В камере располагался экран 3, с которым взаимодействовала струя. Экран имел размеры 220 × 220 × 0.1 мм, был выполнен из меди. Расстояние между экраном и плазменным источником составляло 1.35 м. Определение скорости плазменной струи 2 производилось по измерению времени задержки между максимумами тока и вспышками излучения на экране, удаленном от источника плазмы, как показано на рис. 1б. На выходе ускорителя регистрировался спектральный состав плазмы с помощью обзорного спектрометра 9 в диапазоне 300–1100 нм. Ток на ускорителе измерялся с помощью пояса Роговского, закрепленного на одном из электродов.

Рис. 1.

Схема экспериментального стенда для исследования электродинамического ускорителя (а): 1 – вакуумная камера, 2 – плазменная струя, 3 – медный экран 220 × 220 × 0.1 мм, 4 – плазменный ускоритель, 5 – газовый электродинамический клапан, 6 – керамический патрубок, 7 – затвор, 8 – фотоприемник с линзой и направлением сбора излучения вблизи экрана, 9 – спектрометр с линией сбора излучения, 10 – отклоняющийся экран 175 × 155 × 10 мм, 11 – видеокамера для относительных измерений кинетической энергии струи, 12 – тепловизионная камера; метод измерения скорости струи с помощью временной задержки τ_delay между сигналом фотодиода (максимумом интенсивности излучения I_photo), направленного на экран, и импульсом тока ускорителя I_P (б).

Энергия струи, перешедшая в тепло при столкновении с экраном, определялась с помощью тепловизионной камеры 12, направленной на его зачерненную теневую сторону, как показано на рис. 1a или в работе [4]. Регистрировалось поле температур на теневой стороне экрана до и после выстрела, вычислялась средняя температура и выделяемая в нем энергия.

Зависимость кинетической энергии струи от тока ускорителя измерялась с помощью отклонения экрана, закрепленного на шарнирах. Ранее [4] с помощью отклоняющегося экрана был продемонстрирован метод измерения давления плазменной струи. Экран отклонялся после удара струи. С помощью видеокамеры регистрировали подъем центра масс экрана h. Схема эксперимента приведена на рис. 1a. Отклоняющийся под действием струи экран показан на позиции 10, видеокамера – позиция 11. Расстояние между экраном и ускорителем составляло 900 мм. Экран был выполнен из легкого материала (полиэтилен), имел размеры 175 × 155 × 10 мм, масса M = 4 г. Кинетическая энергия струи вычислялась по формуле W_k = Mgh, где M – масса экрана, g – ускорение свободного падения. Масса струи m определялась с использованием результатов измерений скорости $v$ и кинетической энергии W_k по формуле m = 2W_k/${{v}^{2}}$. Так как значительная часть энергии струи переходила в нагрев экрана, то кинетическая энергия и масса струи представлены в относительных единицах.

Эксперименты проводились с двумя типами плазменных ускорителей – с коаксиальной [4] и рельсовой геометрией электродов [5, 6]. Схемы и внешний вид ускорителей представлены на рис. 2. Плазменный ускоритель работает по принципу движущейся проводящей перемычки в рамке с током I под действием силы Ампера F, где в качестве проводящего материала служит плазма разряда [1]. Напуск рабочего газа под давлением 2.5 атм осуществлялся через боковую поверхность на начальном участке ускорителя с помощью клапана электродинамического типа. Питание осуществлялось с помощью емкостного накопителя 160 мкФ, напряжением до 6 кВ, током разряда до 120 кА и длительностью импульса ~20 мкс. Спустя 400 мкс после напуска газа с помощью коммутатора тока инициировался разряд. Разряд, проходящий через газ, обеспечивал его ионизацию и разгон плазмы за счет магнитного поля и тока ускорителя.

Рис. 2.

Схема коаксиального ускорителя плазмы (a): 1 – внешний электрод (анод), 2 – центральный электрод (катод), 3 – керамика, 4 – напуск рабочего газа, 5 – плазма, 6 – выходящий поток плазменной струи, 7 – коническая вставка; схема плазменного рельсотрона (обозначения те же) (б); внешний вид рельсотрона, установленного на стенде: 8 – корпус рельсотрона, 9 – электродинамический газовый клапан, 10 – электроды, 11 – конденсатор, 12 – керамическая развязка, 13 – вакуумная камера.

Диаметры наружного и центрального электродов коаксиального ускорителя составляли 46 и 10 мм соответственно. Длина наружного электрода составляла 220 мм, а центрального варьировалась от 25 до 220 мм. Наружный электрод был выполнен из нержавеющей стали и был оснащен конической вставкой в области формирования разряда ([4], рис. 2a). Эксперименты проводились при остаточном давлении 10^–5 Торр, импульсном напуске различных газов и материалов центрального электрода.

Электроды рельсового ускорителя (рельсотрона) с квадратным сечением 8 × 8 мм длиной 160 мм были выполнены из нержавеющей стали и располагались в прямоугольном канале алюмооксидной (марки ВК95) камеры толщиной 10 мм, длиной 190, шириной 30 и высотой 60 мм (рис. 2б, 2в). Расстояние между электродами составляло 20 мм. Для улучшения пробоя в области формирования разряда было сделано сужение зазора между электродами до 12 мм [5].

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

Исследование коаксиального ускорителя плазмы проводилось в условиях различных рабочих газов, материалов и длин центрального электрода. На рис. 3 представлены измеренные зависимости скорости движения плазменной струи от тока разряда для различных рабочих газов. Видно, что скорость струи увеличивалась с ростом тока. При малых токах скорость ионизованного газа с малой массой была больше скорости с большой массой. Однако зависимости достигали насыщения при токах более 55–70 кА для всех ионизованных газов. Наибольшая и наименьшая скорости достигались при использовании легкого водорода и тяжелого аргона, соответственно. Можно предположить, что взаимодействие аргоновой плазмы с электродами приводило к наибольшему увеличению увлекаемой массы разряда. Наименьший спад скорости при увеличении тока наблюдался для легкого и инертного гелия.

Рис. 3.

Зависимость скорости движения плазменной струи $v$ от максимума тока разряда I_P для различных рабочих газов. Внешний электрод был выполнен из нержавеющей стали, центральный электрод состоял из титана, длиной 220 мм.

На рис. 4 представлены зависимости скорости движения дейтериевой плазменной струи от тока разряда для различных материалов центрального электрода. Видно, что скорость струи также увеличивалась с ростом тока и ограничивалась при токах более 45–70 кА для всех материалов центрального электрода. Скорость движения струи ускорителя с медным центральным электродом оказалась минимальной на больших токах. Можно предположить, что взаимодействие плазмы с медным электродом приводило к наибольшему увеличению увлекаемой массы разряда. Сведения, опубликованные в работе [7], свидетельствуют о значительной массовой скорости электрической эрозии меди. Расчетные значения массовой скорости эрозии m' (г/с) для исследованных материалов приведены в табл. 1.

Рис. 4.

Зависимость скорости движения дейтериевой плазменной струи v от тока разряда I_P для различных материалов центрального электрода. Коаксиальный ускоритель имел центральный электрод длиной 220 мм. Внешний электрод, изготовленный из нержавеющей стали, был покрыт титановой фольгой толщиной 0.1 мм.

На рис. 5 представлены зависимости скорости движения дейтериевой плазменной струи от тока разряда для различных длин центрального электрода. Длина наружного электрода составляла 220 мм. Материал электродов был изготовлен из нержавеющей стали. Измеренная скорость струи плазмы для ускорителей с различной длиной центрального электрода достигала насыщения при величине тока порядка 40–50 кА. Наибольшее значение скорости было получено в эксперименте с наибольшей длиной центрального электрода. Можно предположить, что при уменьшении длины электрода плотность тока через его поверхность увеличивалась. Это могло приводить к увеличению примесей в разряде и уменьшению скорости движения струи плазмы.

Рис. 5.

Зависимость скорости движения дейтериевой плазменной струи $v$ от тока разряда I_P для различных длин центрального электрода. Коаксиальный ускоритель имел длину внешнего электрода 220 мм.

Доказательством этому предположению могут служить результаты проведенных измерений зависимости спектрального состава, кинетической энергии и массы струи от тока коаксиального и рельсового ускорителей.

На рис. 6 представлены зависимости скорости движения водородной плазменной струи и относительной интенсивности ее излучения (S_all /S_H) от тока разряда. Интегральная интенсивность S_all была нормирована на суммарную интенсивность S_H линий излучения водорода. Видно, что с повышением тока в обоих ускорителях увеличивалась доля примесей и уменьшалась скорость движения струи. В рельсовом ускорителе рост примесей оказался более значительным по сравнению с ростом примесей в коаксиальном ускорителе. Вероятно, примеси поступали не только с электродов, но и со стенки керамической камеры рельсотрона.

Рис. 6.

Зависимости скорости движения водородной плазменной струи $v$ и относительной интенсивности ее излучения S_all /S_H от тока разряда I_P для коаксиального и рельсового ускорителей: 1 – скорость струи в коаксиальном ускорителе, 2 – скорость струи в плазменном рельсотроне, 3 – относительная интенсивность излучения струи коаксиального ускорителя плазмы, 4 – относительная интенсивность излучения струи рельсового ускорителя.

На рис. 7a представлена зависимость энергии, перешедшей в тепло экрана от тока ускорителя. Видно, что с увеличением тока энергия, выделяемая на экране, возрастала и достигала 350 Дж при токе ~100 кА, а запасенная энергия в конденсаторах составляла 2500 Дж. Для чистой водородной плазмы тепловая доля энергии с количеством частиц в струе ~10¹⁹ не превышала 30 Дж.

Рис. 7.

Зависимость энергии дейтериевой плазменной струи, выделенной на экране, измеренная с помощью тепловизора, от тока в коаксиальном ускорителе плазмы (a); зависимость кинетической энергии W_k водородной струи коаксиального ускорителя (б), измеренная с помощью отклоняющегося экрана – 1 и массы m – 2 в относительных единицах, а также скорости струи $v$ – 3 от тока. Внешний и внутренний электроды ускорителя выполнены из нержавеющей стали.

Результаты измерений кинетической энергии и массы водородной струи в относительных единицах, а также скорости от тока представлены на рис. 7б. Видно, что при токах менее 50 кА не происходило существенного роста кинетической энергии и массы. При токе более 60 кА наблюдалось уменьшение средней скорости струи, резкое увеличение ее кинетической энергии и массы. Последнее согласуется с результатами, представленными на рис. 6.

Таким образом, наблюдаемое ограничение скорости движения плазменной струи позволили сделать предположение об увеличении ее массы за счет поступления примесей с электродов ускорителя.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получены экспериментальные зависимости скорости движения струи от тока коаксиального и рельсового ускорителей плазмы для различных рабочих газов, материалов и длин электродов. При больших токах обнаружено уменьшение скорости струи, а также большая интенсивность излучения примесей в потоке по сравнению с интенсивностью ионизованной компоненты рабочего газа. Результаты экспериментов позволили утверждать, что происходило увеличение разгоняемой массы за счет поступления примесей. Это могло приводить к ограничению скорости движения струи.

Проведенные исследования показали, что при создании плазменной струи без примесей следует учитывать ограничение по току в разряде ~40–50 кА. Дальнейшее увеличение скорости потока можно осуществлять, например, с помощью увеличения магнитного поля в ускорительном канале внешними проводниками с током [5, 8].

Работа выполнена с использованием Федерального центра коллективного пользования “Материаловедение и диагностика в передовых технологиях” (проект RFMEFI62119X0021), включающего Уникальную научную установку “Сферический токамак Глобус-М”, а также поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания в сфере науки по проекту № 0784-2020-0020. Разработка плазменных источников была поддержана в рамках государственного задания ФТИ им. А.Ф. Иоффе 0040-2019-0023.