Магнитоплазмодинамические процессы в канале двухступенчатого квазистационарного плазменного ускорителя и их влияние на свойства плазменных потоков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

^Ч НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ г ИНСГИТУТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И АТОМНОЙ ФИЗИКИ

к

УДК 533.9.08

МАНЬКОВСКИЙ АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ

МАГНИТОПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КАНАЛЕ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО КВАЗИСТАЦИОНАРНОГО ПЛАЗМЕННОГО УСКОРИТЕЛЯ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ

01.04.08 - физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

М и н с к -1998 г.

Работа выполнена в Институте молекулярной и атомной физики Национальной Академии Наук Беларуси

Научные руководители: доктор физико-математических

наук, профессор Минько Л.Я.

кандидат физико-математических наук

Астаигинский В,М,

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Шиманович В.Д.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Романов Г.С.

Оппонирующая организация -

Институт физики плазмы, ННЦ "Харьковский физико-технический институт", ; г. Харьков, Украина

Защита состоится"

1998 г. в 7*/ часов на заседали совета по защите диссертаций Д 01,01.01 при Институте молекулярной и атомной физики НАН Беларуси (220072, г. Минск, пр. Ф.Скорины, 70).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института молекулярной и атомной физики НАН Беларуси.

Автореферат разослан " " 1998 г.

Ученый секретарь

совета по захците диссертаций

кандидат физ.-мат. наук

В. А.Кузьмицкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Получение высокоэнергетических плазменных потоков в ускорителях является одной из важнейших задач плазмодинамики. Эдпако в традиционных квазистационарных плазменных ускорителях сущест-зуют принципиальные трудности, связанные с приэлектродными скачками по-генциала и неустойчивостью зоны ионизации, которые не позволяют реаяизо-satb значения параметров плазмы, следующие из теоретического рассмотре-шя физических процессов в таких системах.

Дальнейшее развитие плазменных ускорителей связано с разработанными профессором А.И.Морозовым физическими принципами нового ква-истациопарного сильноточного плазменного ускорителя (КСПУ), позволившего преодолеть отмеченные выше трудности. Высокие значения параметров спазмы, следующие из теоретического рассмотрения процессов в КСПУ, сти-гулнровали разработку и создание таких плазмолинамических систем. Для еализации проекта КСПУ в начале 80-х годов в СССР была создана Кобпера-ия ведущих научных организаций в области плазменных ускорителей, куда ошли ИАЭ им. И.В.Курчатова (ныне РНЦ "Курчатовский институт"', Россия) его филиал в г.Троицке (ныне Троицкий институт инновационных и тсрмо-перных исследований, ТРИНИТИ, Россия), Институт физики Академии наук ССР (ныне Институт физики, ИФ HAH Беларуси и Институт молекулярной и томной физики, ИМАФ HAH Беларуси), ХФТИ (вьше ННЦ "Харьковский фи-исо-технический институт", Украина), Институт прикладной математики им. [.В.Келдьппа (Россия), ЛФТИ им. А.Ф.Иоффе (Россия), Московский авиаци-пшй институт (МАИ) им. С.Орджоникидзе (Россия), Московский государст-:шшй технологический университет (Ml ГУ) им. Н.Э.Баумана (Россия) и др.

Интерес к такого рода плазмодинамическим системам связан с возможен их применением в решении задач управляемого термоядерного синтеза вжекция плазмы в различного рода ловушки, проблема первой стенки термосного реактора), в плазменной технологии, например для обработки по-рхностей крупногабаритных деталей, а также для создания высокоиятенсив-гх источников излучения, в том числе в коротковолновой области спектра.

Первые экспериментальные исследования и численное моделирование оцессов в КСПУ подтвердили справедливость физических принципов, поло-яных в его основу (определяющую роль ионного токопереноса, эффект маг-тной экранировки конструктивных элементов собственными токами) и рабо-гпособность двухступеггчатой схемы ускорения, а также показали возмож-

ность получения в квазистадионарыом режиме высокоэнергетических компре сионных плазмешшх потоков с направленной скоростью более 107 см/с. У я сегодня КСТТУ, не имеющий аналогов в мире, по совокупности своих характ ристик превосходит все имеющиеся в настоящее время типы ускорител« плазмы.

В КСПУ реализуется ионно-дрейфовое ускорение замагниченной пла мы, что открывает принципиально новые возможности для фундаментальнь исследований динамики плазмы, в том числе в электромагнитных полях ело; ной конфигурации. Кроме того, первые эксперименты по воздействию пла мениых потоков КСТТУ на металлические поверхности показали, что таю системы представляют значительней интерес при разработке новых упро няющих плазменных технологий для крупного машиностроения, что являет особенно актуальным для Беларуси.

Связь работы с крупными научными программами. Диссертационная р бота выполнялась в Институте физики АН БССР, а затем в Институте молек лярной и атомной физики HAH Беларуси в рамках Всесоюзных программ ] реализации проекта КСТТУ в соответствии с Постановлением Президиума А СССР, ГКАЭ и Минвуза СССР N 164 от 29.11.82 г., Постановлением ГКТ СССР N 396 от 26.07.83 г., Постановлением Президиума АН СССР, ГКАЭ Минвуза СССР N ГУ-226 от 26.11.87 г., в рамках республиканских профан "Плазма 2.22", "Плазма 3.07", "Плазмодинамика 09", по хоздоговорам с И/ им.И.В.Курчатова N 626 от 3.02.84 г., N 724 от 11.04.86 г., N 824 от 1.04.88, 902 от 1.03.90 г., по Заданию Министерства промышленности Республики I ларусь, в рамках договора N 230-93.

Целью настоящей работы является разработка и создание двухступен* того квазистационарного сильноточного плазменного ускорителя (КСПУ) ти П-50М со стержневыми пассивным анодным и полуактивным катодт трансформерами (электродами), магнитная экранировка которых устанавлш ется самосогласованным образом разрядными токами, протекающими стержням трансформеров, и экспериментальные исследования магштгоплазх динамических процессов в канале ускорителя и динамики плазменных noi ков, а также их параметров.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Реализован компрессионный режим течения плазмы на выходе КСПУ.

Впервые экспериментально получен режим работы КСПУ, характе{ зующийся радиальным распределением тока в канале в течение всей квазис ционарной стадии разряда, и режим, имеющий распределение тока "с air скольжением", при котором значения тока у катодного трансформера "о тают" от его значений у анода, где изолинии тока практически нормально п< ходят к его поверхности.

Показано* что квазирадяальный характер распределения тока в канале скорятеля устанавливается при равенстве локальпых параметров обмена в [риповерхносгаых областях анодного и катодного трансформеров (электродов). Распределение тока со "скольжением" устанавливается, если параметр )бмепа в прикатодной области больше этого параметра в прианодной, а режим ; "антискольжением" - когда параметр обмена у катода меньше указанного па->аметра у анода.

Установлено, что во входной части ускорительного канала КСПУ существует некоторый характерный (граничный) диапазон значений плотности шектронов, при котором на квазистационарной стадии разряда устанавливает-;я квазирадиальное распределение Изолиний тока. Когда концентрация элек-[ронов выше этого диапазона, реализуется распределение тока со "скольжени-;м", а в случае, когда плотность электронов плазмы в капале становится ниже раничной, наблюдается распределение изолиний тока с "антискольжением".

Установлено, что максимальные значения концентрации электронов и тгепени сжатия компрессионного потока реализуются в КСПУ, когда в его ка-(але устанавливается распределение тока "со скольжением" вдоль поверхности сэтодного трансформера, а максимальные значения скорости плазмы - при ква-¡ирадиальном распределении тока.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что в результате проведенных исследований установлены новые закономерности плазмо-щнамики, позволяющие управлять распределением тока в ускорительных сис-гемах и определяющие поведение и параметры плазменных потоков. Получен-тые результаты представляют интерес для разработки плазменных упрочняю-цих технологий на основе воздействия высокоэнергетических компрессион-тых плазменных потоков КСПУ на металлические поверхности и керамиче-;кие покрытия.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Двухступенчатый квазистационарный сильноточный плазменный ускоритель (КСПУ) со стержневыми пассивным анодным и полуактивным катодным трансформерами, магнитная экранировка которых устанавливается самосогласованным образом разрядными токами, протекающими по стержням грансформеров, генерирует компрессионные плазменные потоки с ранее непостижимыми параметрами: длина ~ 50 см, диаметр в области максимального ;жатия ~ 3 см, время существования ~ 200 мкс, скорость — (1 - 2)Ю7 см/с, температура- 10-15эВ, концентрация электронов - до 10! 7 см"3.

1. Режимы работы КСПУ — от ускорительного до компрессионного зависят от пространственно-временной структуры изолиний тока (квази дальной, "со скольжением" и "с антискольжением") в основном ускорительн канале и устанавливаются посредством согласования локальных параметр обмена у поверхностей анодного и катодного трансформеров (электродов).

3. Скорость компрессионного потока, концентрация заряженных част и температура плазмы определяются характером распределения плотное плазмы и разрядного тока в основном ускорительном канале КСТТУ.

Диссертационная работа отражает личный вклад соискателя в исследос ния, выполненные в ИМАФ HAH Беларуси по изучению квазистационарт плазменных ускорителей. Научным руководителям ЛЛ.Минько В.М.Асташинскому принадлежит постановка задач исследований, анализ и о суждение полученных результатов. Г.И.Баканович принимала участие в прок дении спектроскопических исследований, Е.А.Костюкевич - в проведении и терферометрических исследований и обсуждении их результате А.М.Кузьмицкий - в исследованиях входных ионизационных камер, а также спектроскопических исследованиях плазмы КСПУ.

Апробация результатов диссертации. Результаты исследований до лады вались на XIX, XX, XXI Международных конференциях по явлениям ионизованных газах (Белград, 1989; Пиза, 1991; Бохум,1993), XI Европейск< конференции по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (Оанк Петербург, 1992), ХУШ Международном симпозиуме по физике ионизованнь газов (Новый Сад, Югославия, 1996), VI Всесоюзной конференции "Динами излучающего газа" (Москва, 1987), VII Всесоюзной конференции по плазм© ным ускорителям и ионным инжекторам (Харьков, 1989), V Всесоюзном сов щании по диагностике высокотемпературной плазмы (Минск, 1990), П, 1П, I Всесоюзных симпозиумах по радиационной плазмодии амике (Москва, 199 1994, 1997), конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Мине 1991, Петрозаводск, 1998), международной конференции "Физика и технш плазмы" (Минск, 1994), м еждународной конференции "Физика плазмы и ила менные технологии" (Минск, 1997)

Результаты диссертационной работы опубликованы в 4 статьях в нау1 пых журналах, в 6 статьях в материалах международных конференций, в статьях в научных сборниках и материалах конференций, в 6 тезисах докладе конфе-решщй. Общий объем опубликованных материалов составляет 67 стр; ниц в 19 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, о( щей характеристики работы, четырех глав и заключепия. Общий объем диссер

ации составляет 123 страницы, в том числе 40 рисунков па 40 страницах и ¡писок использованных источников из 152 наименований на 14 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе, носящей обзорный характер, рассматривается теоретиче-кое описание течения плазмы в квазистационарных плазменных ускорителях, гроведен анализ современного состояния экспериментальных исследований аких ускорителей, а также численного моделирования происходящих в них роцессов.

Во второй главе дапо описание экспериментального стенда КСПУ П-50М, зложены методики и результаты исследований электротехнических парамет-ов основной ступени ускорителя КСПУ П-50М, определены основные итгге-ральные параметры плазменного потока, генерируемого первой ступенью скорителя - входным ионизационным блоком (ВИБ).

Экспериментальный стенд КСПУ типа П-50М включает в себя вакуум-уто камеру размером 0,8 х 0.8 х 4 м с установленным в ней разрядным устрой-гвом ускорителя, систему вакуумной откачки, систему подачи рабочего газа, ктгему энергопитания, а также комплекс аппаратуры управления и диагности-

I.

Энергопитание КСПУ осуществляется от емкостных накопителей. Ос-эвная батарея емкостью 12 мФ имеет рабочее напряжение до 5 кВ и общую гергию до 150 кДж. Накопитель энергии первой ступени емкостью 4800 мкФ с гбочим напряжением до 5 кВ и общим энергозапасом до 60 кДж разделен на ггыре секции (по числу входных ионизационных камер, составляющих ВИБ). ггарея дл.г питания клапанного напуска рабочего газа имеет емкость !00 мкФ, рабочее напряжение до 3 кВ и запасаемую энергию до 5,4 кДж.

Разрядное устройство КСПУ П-50М состоит из входного ионизационного гока, анодного и катодного трансформеров, а также системы разделительных оляторов. Пассивный анодный трансформер образован 36 медными стерж-гми длиной 120 см, симметрично расположенными по окружности диаметром | см. Входной ионизационный блок состоит из четырех входных ионизацион-IX камер (ВИК), симметрично закрепленных на фланце по окружности диа-ггром 39 см. Конструкция ВИК разработана на основе магнитоплазменного мпрессора компактной геометрии с клапанным напуском рабочего газа, •утренний электрод выполнен в виде усеченного конуса с диаметрами 3 см и 5 см длиной 5 см с дивертором, а внешний образован восемью стержнями аметром 0,8 см и длиной 11,5 см, симметрично расположенными по окруж-сти диаметром 5 см. Особенности геометрии разрядного устройства исюно-

чают возможность смещения зоны ионизации в течение разрядного импульса сторону изолятора. Для предотвращения растекания газа в радиальном напрш лении разрядное устройство окружается кожухом из оргстекла или кварца. Ю тодный трансформер полуактивного типа состоит го двух разделенных изол; торами коаксиальных цилиндров диаметром 3,5 см и 6 см, которые соединен между собой 16-ю медными трубками диаметром 1 см, образующими эллипс» ид вращения с максимальным диаметром 28 см и длиной 50 см. Расположеннь в промежутках между трубками на внутреннем цилиндре 176 медных заостре! ных иголок выполняют роль токоприемников. Иголки выполнены различие длины таким образом, что линия, огибающая их вершины, повторяет наружны профиль катодного трансформера, но меньшего диаметра.

С помощью поясов Роговского и делителей напряжения были измерен ток и напряжете разряда в первой и второй ступенях ускорителя. По измере) ным значениям были построены вольт-амперные характеристики разрядов ступенях ускорителя, определены мгновенная мощность и вкладываемая в ра ряд энергия, а также энергетический КПД ускорителя, который составил 0,7 да одноступенчатого и 0,85 для двухступенчатого режимов работы.

На основании экспериментальных исследований определены основнь интегральные параметры плазмы, генерируемой ВИБ. Скорость плазменнь образований составляет уш = (4-7) 106 см/с в зависимости от максимально] значения разрядного тока и массового расхода водорода. Концентрация Пе температура электронов Тс в области компрессии ВИК составляют соответс венно Пе ~ 1,51017 см"3, Те ~ 1 - 2 эВ. Общий массовый расход нейтрального в дорода входного ионизационного блока можно варьировать в пределах: т0 = - 50 г/с (что соответствует расходу 3-12 г/с для одной ВИК) при изменеш давления в подклапанном объеме с 1 до 3 атм и напряжения на клапанной бат рее с 1,5 до 3 кВ. Меняя начальное напряжете накопителя энергии с 2 до 5 к можно получить в одной ВИК значения разрядного тока (в максимуме) в диап зоне 40-120 кА. При этом массовый расход ионов т, возрастает с 0,5 до 3 г/с. эквивалентный ионный ток Тт - с 70 до 300 кА, что соответствует изменени суммарного массового расхода ионов ВИБ, достигших ускорительного кана основной ступени, с ~ 2 до ~ 10 г/с, а суммарного эквивалентного ионного т ка - с ~ 200 до 1000 кА. Параметр обмена £, = 1рЯш, показывающий, какая час ионов от общего их числа ответственна за перенос тока в ускорителе, составл ет при этом для каждой ВИК 0,2 - 0,3. Здесь Тр - экспериментальное значен разрядного тока, а 1т - эквивалентный ионный ток. На основании проведенш исследований показано, что в плазменном потоке, генерируемом первой ступ нью (входным ионизационным блоком) КСПУ П-50М, устанавливается локал ное термодинамическое равновесие.

Третья глава посвящена исследованиям динамики плазменных потоков и распределения электрических и магнитных полей в КСТТУ ТТ-50М. Как показали покадровые фоторазвертки, снятые с торца вакуумной камеры, использование предионизации позволило существенно уменьшить временной разброс при срабатывании всех ВИК, который в условиях эксперимента не превышал 4 мкс. Из фоторазверток видно, что после включения первой ступени ускорителя плазма ВИН, расширяясь в дрейфовом канале, равномерно заполняет объем ускорительного канала, попадая при этом и во внутренний объем катодного трансформера Тх. Включение основного разряда приводит к резкому усилению свечения плазмы внутри Тк , причем свечение, начинаясь в выходной части трансформера, постепенно смещается к входной его части. Следует также отметить, что после включения основного разряда начинает наблюдаться яркое свечение на концах иголок-токоприемников внутри катодного трансформера, что свидетельствует об эмиссии электронов и, соответственно, о нейтрализации токонесущих ионов в объеме Тк.

С помощью выбора геометрии разрядного устройства и согласования работы первой и второй ступеней ускорителя путем подбора оптимального массового расхода водорода и напряжения накопителен энергии, реализован компрессионный режим работы КСПУ. В этом режиме работы КСПУ за срезом катодного трансформера формируется устойчивый компрессионный плазменный поток диаметром 3 - 5 см и длиной ~ 40 см, устойчиво существующий ~ 200 мкс при общей длительности разряда ~ 400 мкс. На выходе из разрядного устройства TT-5Í0M плазменный поток расходится с углом полураскрытия струи -40°.

Скорость плазменных образований, выходящих из ускорителя, оцененная по непрерывным фоторазверткам, составила ~ 710б см/с при начальном напряжении накопителя второй ступени ускорителя Uq - 3 кВ. Скорость плазмы достигает своего максимального значения в условиях эксперимента при Uo ~ 4 кВ я составляет ~ 1,7 10 см/с, в то время как при Uo = 5 кВ она составляет 107 ;м/с.

Исследования распределения электрических и магнитных полей в КСТТУ гипа П-50М проводились зондовыми методами при постоянных параметрах ЗИБ: массовый расход нейтрального водорода составлял 35 г/с, разрядный ток саждой ВИК (в максимуме) 60 кЛ, скорость плазмы 3 10б см/с. Менялось толь-со начальное напряжение накопителя второй (основной) ступени ускорителя с ! до 5 кВ, что приводило в условиях эксперимента к изменению разрядного то-са (в максимуме) с - 200 до 310 кА. КСПУ работал в следующем режиме вклю-гения: сначала включают ВИБ, затем, через 40 мкс, - основную ступень.

Построенная на основании измерений азимутальной компоненты магнит нога поля пространственно-временная картина распределения изолиний элек трического тока (линий 5HR=const) позволила выявить три режима распределе ния последнего в канале КСПУ: со "скольжением" тока вдоль катодной трансформера, с квазирадиальным распределением и режим с "шгшсколь жением" тока. При "скольжении" тока его изолинии образуют малый yroj (или параллельны) поверхности электрода (трансформера), причем значе ния тока у этого трансформера при данном R "опережают" значения 5HR ; анода. В режиме с "антискольжением" тока его значения у соответствующей трансформера "отстают" от значений у анода, где изолинии практически нор мально подходят к его поверхности.,

В условиях эксперимента на КСПУ П-50М при начальном папряжени! накопителя основной ступени Uo = 5 кВ наблюдается "скольжение" тока вдол катодного трансформера, которое в конце разряда (~ 300 мке) сменяется квази радиальным распределением. При Uo = 4 кВ в канале ускорителя в первые -100 мке устанавливается режим со "скольжением" тока, который затем перехо дат в квазирадиальный, существующий до конца разряда. Наконец, при Uo: = 3 кВ первые ~ 100 мке также наблюдается "скольжение" тока, переходяще затем (за время ~ 100 мке) через квазирадиальное распределение к "ав тискольжению". Во всех режимах во входной части канала (ближе к крити ческому сечению) формируется вихрь, "опертый" на катодный траксформе[ При квазирадиальном распределении и "антискольжении" тока после ~ 100 мк от начала разряда основной ступени он разваливается, а в режиме с "скольжением" существует практически все время. В режиме с "aim скольжением" после развала "опертого" вихря формируется (ближе к вход в канал) "висячий" вихрь. При квазирадиальном распределении тока поел развала "опертого" вихря другие не образуются.

Для характеристики полученной картины распределения потенциала с введены в рассмотрение безразмерные коэффициенты х* и Xа, показывающи соответственно отношение разности потенциалов в узком (~ 2 см) слое у пс верхности катодного и анодного трансформеров к разности потенциалов межл трансформерами в целом: % = АФ/(Ф,; - Фа). Здесь ДФ - разность потенциалов узком слое у поверхности Тг или Та, а ФЕ и Фа - потенциалы катодного и ано; ного трансформеров соответственно. При распределении тока в канале КС1Т "с антискольжением" Хд < Хз. в то время как при "скольжении" тока и его кваз( радиальном распределении ул> Ъ, причем Хх при "скольжении" тока для сооп ветствующих моментов времени всегда превышает значение х* при квазирад1 альном распределении тока, а Ха при "скольжении" тока, наоборот, весг/ меньше значения Ха при квазирадиальном распределении тока.

Анализ полученных результатов с точки зрения параметра обмена % показал следующее. При всех Ио "скольжение" тока сопровождается достаточно большими значениями что указывает на сравнительно высокое значение скачка потенциала у поверхности катодного трансформера. Это объясняется обеднением приэлектродной зоны носителями тока или, другими словами, малым массовым расходом ионов в этой области, т. е. скольжение тока характеризуется наибольшим значением параметра обмена ^ в слое у поверхности Т,, поскольку при этом в условиях эксперимента разрядный ток максимален, а расход рабочего вещества минимален. ТСвазирадиальный режим характеризуется меньшими значениями х» а значит, и большим расходом ионов в приповерхностном слое катодного трансформера. Поскольку при этом разрядный ток имеет меньшее значение, то и ^ в этом режиме меньше, чем при "скольжении" тока. Как в режиме со "скольжением" тока, так и при квазирадиальном его распределении значения Ха одинаково малы, но, поскольку разрядный ток в первом случае больше, то параметр обмена в прианодной области несколько ниже в квазирадиальном режиме. Режим с "аптискольжением" тока наблюдается в экспериментах при Но = 3 кВ, когда х» становится больше В этом случае расход рабочего вещества у поверхности катодного трансформера превышает расход в прианодном слое и становится меньше

Из проведенного рассмотрения следует, что для получения любого из трех описанных выше режимов распределения токов в канале КСПУ необходимо согласование соответствующим образом величины разрядного тока и расхода ионов в прианодной и прикатодной областях или, что то же самое, параметров обмена ^ и Квазирадиальный режим распределения токов устанавливается, когда = Здесь г| - некий коэффициент потерь токонесущих ионов, связанный с конструкцией трансформеров и взаимодействием указанных ионов с плазмой в канале ускорителя; при согласовании работы первой и второй ступеней КСПУ этот коэффициент приближается к единице. Если > т]4а, то устанавливается режим со "скольжением" тока вдоль катодного трансформера. В случае, если < П^а, реализуется режим с "антискольжением" тока. Очевидно, что, поместив внутрь Тк источник ионов можно из режима со "скольжением" тока переходить в квазирадиальный или в режим с "антискольжением". Каждый из указанных режимов представляет определенный интерес при решети различного рода научно-технических задач. Например, максимальную скорость плазма получает в условиях эксперимента при Оо = 4 кВ, когда на квазистационарной стадии разряда устанавливается квазиради-алъное распределение тока в канале ускорителя.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования показали что в КСПУ типа П-50М возможно управление режимами распределения tokoi в ускорительном канале, в частности, получение квазирадиального распределения токов, обеспечивающего эффективность процессов ускорения плазмы.

Четвертая глава содержит результаты исследований параметров плазмы КСПУ П-50М спектроскопическими, итггерфсрометрическими и теневыми методами.

Были проведены измерения концентрации электронов в плазме спектроскопическими методами по линиям инертных газов (в частности, гелия) при использовании их в качестве примесей к водороду. Концентрация электронов, измеренная по уширению линии НеТ 587,5 нм в поперечном сечении, отстоящем на 4 см от среза катода, на оси потока составила ~ 91016 см"3 в одноступенчатом режиме и ~ 3,61016 см"3 в двухступенчатом режиме в сечении, отстоящем от среза катода на 35 см.

Интерферометрические исследования плазмы в КСПУ проводились е духсгупенчатом режиме при тех же интегральных параметрах плазмы ВИБ и напряжениях накопителя второй ступени, что и зондовые измерения. Был проведен анализ применимости однодлинноволновой интерферометрии для определения электронной плотности плазменных потоков в КСПУ. Концентрация электронов плазменного потока за срезом катодного трансформера определялась с пространственно-временным разрешением с помощью двухзеркальногс автоколлимационного интерферометра И-200 с полем зрения 200 мм, конструктивно адаптированного к условиям КСПУ П-50М и дополненного системой автоматизированной обработки шггерферограмм. Получены пространственно-временные распределения пс за срезом катодного трансформера.

Плотность электронов плазмы в основном ускорительном канале КСТТУ П-50М определялась с помощью лазерного интерферометра в точке, расположенной на расстоянии 14 см от оси системы в сечении, отстоящем на 20 см oi входа в основной ускорительный канал. Наблюдаемое поведение концентрац^ заряженных частиц во входной части основного ускорительного канала объясняется следующим образом. Как известно, основной ускорительный канат КСПУ, с учетом вмороженности магнитного поля в плазму, является магнито-плазменным аналогом сопла Лаваля. Ускорительный процесс реализуется i нем, когда на вход поступает плазма, скорость которой меньше "местной" скорости магнитного звука, в критическом сечении скорость плазмы "переходит' указанную скорость, а в выходной части сопла превышает ее. При течени» плазмы в таком канале выполняются, в частности, два закона: непрерывное™ потока (pvS = const, где р - плотность, v - скорость плазмы, S - сечение канала' и сохранения магнитного потока, означающего вмороженность магнитного по-

ля в плазму (Н/рг = const, где Н - напряженность магнитного поля, г - радиус канала). Тогда, если г не меняется или меняется слабо, уменьшение скорости плазмы сопровождается возрастанием ее плотности (вследствие неразрывности потока). С другой стороны, достаточно резкое увеличение или уменьшение плотности плазмы вызывает соответствующее изменение напряженности магнитного поля, что в конечном итоге и приводит к образованию замкнутых токовых петель.

Плазменный поток ВИБ, до включения основной ступени достигая катодного трансформера, тормозится на его твердотельных элементах. После включения разряда второй ступени, пока ток еще мал, скорость плазмы ВИБ, естественно, превышает "местную" скорость магнитного звука, что вызывает дополнительное торможение плазмы первой ступени. Торможение плазмы во входной части ускорительпого канала и приводит к достаточно быстрому увеличению концентрации электронов во всех исследованных режимах. Возрастание разрядного тока основной ступени "доводит" местную скорость магнитного звука в точке наблюдения до значений, превышающих скорость плазмы ВИБ, после чего концентрация электронов в канале начинает уменьшаться. При Uq = 5 кВ разрядный ток основной ступени и скорость его нарастания выше, чем при Uq = 3 и 4 кВ, поэтому в точке наблюдения "местная" скорость магнитного звука раньше "обгоняет" скорость плач мы первой ступени (т.е. быстрее происходит согласование работы двух ступеней ускорителя) и раньше же начинает спа-цать плотность плазмы. Однако^ несмотря на одинаковые параметры плазмы, генерируемой первой ступенью, значения концентрации электронов при Uo = 5 кВ выше, чем при U0 = 3 и 4 кВ. Это связано с тем, что в первом случае, как этмечено выше, реализуются максимальная подача заанодной плазмы в ускорительный капал через стержни анодного трансформера и минимальная 'прозрачность" катодного трансформера.

Ранее указывалось, что в течение первых — 100 мкс после включения ос-[?овной ступени во всех исследованных режимах в канале КСГ1У наблюдаются токовые вихри и устанавливается распределение тока со "скольжением". Из ре-$ультатов измерений т»е видно, что формирование вихрей во входной части ускорительного канала па начальной стадии разряда происходит на фоне достаточно резкого увеличения концентрации электронов. Анализ временного изменения пе в канале показывает, что существует некоторый граничный диапазон тачешш плотности электронов ( ~ (1,5 - 2) 1015 см"3), когда па квазисгационар-гай стадии разряда (после -150 мкс) устанавливается квазирадиалыюе распределение изолиний тока. Когда концентрация электронов выше этого диапазона, реализуется распределение тока со "скольжением". В случае же, когда плот-

ность электронов плазмы в канале становится ниже граничной, наблюдаете распределение изолиний тока с "антискольжением".

Измеренные значения концентрации электронов шгазмы в канале и компрессионном потоке позволили определить степень сжатия компрессионнс го плазменного потока, которая составила ~ 20.

Чтобы представить, как соотносится поведение плотности плазмы и ра рядного тока в ускорительной системе, был введен параметр ц(1) - Пс(1)/1Р(0. К квазистационарной стадии разряда (после ~ 150 мке) в компрессионном пла менном потоке значения ЛшгО) меняются незначительно. Это означает, что 1 практически следует за поведением разрядного тока. В то же время в канал КСПУ поведение параметра тЦО носит более сложный характер. На квазиек ционарной стадии разряда Пе в канале ускорителя спадает медленнее, чем ра рядный ток (за счет торможения плазмы ВИБ на элементах ускорительного к; нала).

Поведение максимальной скорости плазмы Ушах на выходе ускорительщ го капала, определяемой альфвеповской скоростью Сдо(0 на входе (Утах(0 = 21 Сао(0), рассчитанной на основании измеренных значений концентрации и ра: рядного тока хорошо согласуется с экспериментальными результатами измер< шш скорости плазмы (наибольшая скорость плазмы наблюдается при Цо = 4 к! когда на квазистационарной стадии разряда реализуется квазирадиальнс распределение тока). Максимальные же значения концентрации электронов степени сжатия компрессионного потока реализуются при Ио = 5 кВ, когда канале устанавливается распределение тока со "скольжением".

Температура плазмы компрессионного потока определялась по скорост звука в плазме, согласно выражению: С, » (укТ(1+г)/М;)ш, где С3 - скорост звука в плазме, Тл = Те = Т - температура плазмы, М, - масса иона, г - заряд и< на, к - постоянная Больцмана, у - показатель адиабаты Пуассона. С3 можно 01 ределить, зная скорость самой плазмы и число Маха в ней. Определение чисх Маха в компрессионном потоке производилось при регистрации теневым мете дом линий возмущений, возникающих при набегании потока на тонкий клин острой передней кромкой, являющейся источником слабых возмущений. Теп пература плазмы на квазистационарной стадии разряда на расстоянии 35 см с среза Тх при и0 - 4 кВ составляет ~ 15 эВ, а при и0 = 5 кВ Т^ = 10 эВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам выполненной диссертационной работы можно сделап следующие выводы.

1, Разработана и создана экспериментальная установка с суммарной энергией накопителей 215 кДж, включающая двухступенчатый квазистационарный сильноточный плазменный ускоритель (КСПУ) типа П-50М со стержневыми пассивным анодным и подуактивнъш катодным трансформерами, магнитная экранировка которых устанавливается самосогласованным образом разрядными токами, протекающими но стержням трансформеров [1-2, 5, 1416].

2. Реализован компрессионный характер течения плазмы на выходе КСПУ. При этом за срезом катодного трап сформ ера формируется компрессионный плазменный поток длиной порядка 50 см и диаметром в области максимального сжатия — 3 см, устойчиво существующий в течение всей квазистационарной стадии разряда. Параметры компрессионного плазменного потока составляют, скорость потока — (1 - 2)107 см/с, температура плазмы — 10-15 эВ, концентрация электронов плазмы — до 10псм"3 [2-4, 6, И, 13, 15,18].

3. Впервые экспериментально получены распределения тока в ускорительном канале КСПУ: квазирадиальное (соответствующее расчетному) в течение всей квазистационарной стадии разряда и с "антискольжепием", при котором значения тока у катодного трансформера "отстают" от его значений у анода, где изолинии тока практически нормально подходят к его поверхности [4,6-8].

4. Показано, что квазирадиальный характер распределения токов в канале ускорителя устанавливается, когда ~ Распределение токов со скольжением устанавливается, если сс > r|4i> а режим с антискольжением - при £,х < т^. Здесь и 4а - параметры обмена соответственно у поверхности катодного и анодного трансформеров, т] - коэффициент потерь токонесущих ионов, связанный с конструкцией трансформеров и взаимодействием указанных ионов с плазмой в канале ускорителя [4,8].

5. Установлено, что во входной части ускорительного канала КСПУ существует некоторый характерный (граничный) диапазон значений плотности электропов (в условиях эксперимента равный ~ (1,5 - 2) 1015 см"3), когда на квазистационарной стадии разряда устанавливается квазирадиальное распределение изолиний тока. Когда концентрация электронов выше этого диапазона, реализуется распределение тока со скольжением, а в случае, когда плотность электронов плазмы в канале становится ниже граничной, наблюдается распределение изолиний тока с антискольжением [9,10, 12,13,19].

6. Установлено, что максимальные значения концентрации электронов и степени сжатия компрессионного потока реализуются в КСПУ, когда в его канале устанавливается распределение тока со "скольжением" вдоль поверхности

катодного трансформера, а максимальные значения скороса плазмы - при квазирадиальном распределении тока [4,9,10,13].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в научных журналах:

1. Влияние характера развития разряда в МПК компактной геометрии на пара

метры компрессионного потока / В.М.Астапшнский, Г.И.Баканови1 Е.А.Костюкевич, А.М.Кузьмицкий, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько > ЖПС.-1989,- Т.50, В.6.- С. 887-891.

2. Исследование процессов формирования плазменных потоков в квазистацис

нарном сильноточном плазменном ускорителе (КСПУ) / С.И.Ананш В.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Е.А.Коспокевич, А.М.Кузьмицкт А.А.Маньковский, Л.Я.Минько, А.И.Морозов // Физика плазмы.- 1990 Т.16,В.2,-С. 186-196.

3. Спектроскопическая диагностика квазистационарного сильноточного плх менного ускорителя с использованием примесей инертных газов В :М. Аспи и и I гский, Г.И.Баканович, П.А.Букова, А.М.Кузьмицкш А.А.Маньковский, Л.Я.Минько II ЖПС.- 1991,- Т.55, В.2,- С. 331-333.

4. Исследование физических процессов, обусловливающих режимы работ КСПУ / В.М.Астапганский, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько, А.И.Морозов Физика плазмы,- 1992 - Т.18, В.1.- С.90-98.

Статьи в материалах международных конференций:

5. Generation of directed plasma flows. S.LAnanin, V.M.Astashinsk? G.I.Bakanovich, E.A.Kostyukevich, A.M.Knzmitsky, A.A.Mankovsk; L.Ya.Minko // XIX Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Proceedings Belgrade, 1989.- V.I.- P. 216-217.

6. A Study of the Processes of Plasma Flows Formation in a Quasi-Stationary Hig] Current P-50M Type Plasma Accelerator. V.M.Astashinsky, G.I.Bakanovic N.A.Bukova, E.A.Kostyukevich, A.M.Kuzmitsky, A.A.Mankovsk L.Ya.Minko, Ai.Morozov // XX Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gase Procedings - Pisa, 1991,- V.4.- P. 969-970.

7. Plasmodynamic Processes in Quasi-Stationary High Current Plasma Accelerati Channel. V.M.Astashinsky, G.I.Bakanovich, N.A.Bukova, E.A.Kostyukevic A.M.Kuzmitsky, A.A.Mankovsky, L.Ya.Minko // XI Europ. Sectional Conf. (

the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases. Contributed Papers.-S.-Petcrburg, 1992,- V.16.- P. 285- 286.

8. Investigation of Processes Determining the Dynamics of Plasma Flows in the Quasi-Stationary High- Current Plasma Discharge. V.M.Astashinsky, E.A.Kostyukevich, A.A.Mankovsky, L.Ya.Minko // XXI International Conference on Phenomena in Ionized Gases. Proceedings.- Bochum, 1993.- V.2.-P. 137-138,

9. Интерферометрические и спектроскопические исследования плазменных по-

токов в КСПУ ГГ-50М / В.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Е.А.Коспокевич,

A.А.Маньковский, Л.Я.Минько // Publications of the astronomical observatory of Belgrade.- 1996.- N 53,- P. 55-58.

10. Магнитоплазмодинамические процессы в ускорительном канале КСПУ с "полупрозрачными" трансформерами / С.И.Ананин, В.М.Асташинский, Е.А.Коспокевич, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько // Материалы конференции "Физика плазмы и плазменные технологии".- Минск, 1997,- Т.1.- С. 203-206.

Статьи в материалах конференций:

11. Особенности формирования и свойства плазменных образований в газоразрядной двухступенчатой плазмодинамической системе / Л.Я.Минько,

B.М.Асташинский, Г.И.Баканович, . Н. А.Букова, Е.А.Коспокевич, АМ.Кузьмицкий, А.А.Маньковский // Физика низкотемпературной плазмы. Материалы VIII Всесоюзной конференции,- Минск, 1991.- Т.2.- С. 91-92.

12. Интерферометрическая диагностика крупномасштабных плазменных образований / С.И.Ананин, В.М.Асташинский, Е.А.Костюкевич, А.А.Мань-ковский Н Материалы конференции "Физика и техника плазмы",- Минск, 1994,- Т.1.- С. 336-340.

13. Термодинамические параметры плазмы компрессионного потока квазистационарного сильноточного плазменного ускорителя / В.М.Астапншский, Е,А.Костюкевич, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько // Материалы конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-98,- Петрозаводск: Изд-во Петрозаводского университета, 1998 - 4.1.- С. 84-87.

Гезисы докладов конференций:

14. Динамика излучающих компрессионных плазменных потоков / Л.Я.Минь-ко, С.И.Ананин, В.М.Астапгинский, Г.И.Баканович, Е.А.Костюкевич, А.М.Кузьмицкий, А.А.Маньковский // VI Всесоюзная Конференция "Динамика излучающего газа". Тезисы докладов - М., 1987,- С. 22-23.

15. Минько Л.Я., Асташинский В.М., Маньковский A.A. Характер течени плазмы и выноса тока в КСПУ типа ГТ-50 // VII Всесоюзная конференция п плазменным ускорителям и ионным инжекторам. Тезисы докладов - Харь ков, 1989,-С. 51-52.

16. Экспериментальные исследования и численное моделирование плазмоди намических процессов в квазистационарном сильноточном плазменном ус корителе / А.И.Морозов, Л.Я.Минько, С.И.Ананин, В.М.Асташннскнй Г.И.Баканович, Е.А.Коспокевич, А.М.Кузьмицкий, А.А.Маньковский // VI) Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. Тезисы докладов.- Харьков, 1989.- С. 39-40.

17. Спекгроскопичесая диагностика квазистационарного сильноточного плаз менного ускорителя с использованием примесей инертных газов , В.М. Асташинский, Г.И.Баканович, Н.А.Букова, А.М.Кузьмицкий

A.А.МашэКовский, Л.Я.Минько // V Всесоюзное совещание по диагностике высокотемпературной плазмы. Тезисы докладов,- Минск, 1990,- С.242-243.

18. Динамика компрессионных плазменных потоков в квазистационарнои сильноточном плазменном ускорителе (КСПУ) типа П-50М / ЛЛМинько

B.М.Асташинский, А.А.Маньковский, Г.И.Баканович, Е.А.Коспокевич А.М.Кузьмицкий, Н.А.Букова II П Всесоюзный симпозиум по радиацион ной плазмодипамике. Тезисы докладов,- М.: Ml ТУ, 1991.-Т.З.-С. 51-52.

19. Исследование термодинамических параметров плазменного потока КСГО П-50М / Л.Я.Минько, С.И.Ананин, В.М.Асташинский, Е.А.Коспокевич А.А.Маньковский // IV межгосуд. симп. по радиационной плазмодипамике Тезисы докладов.- М., 1997,- С. 152-153.

РЭЗЮМЕ. Мапъкоусю Аляксавдр Аляксеев^ч. МАГНГГАПЛАЗМАДЫ-НАМ1ЧНЫЯ ПРАЦЭСЫ У КАНАЛЕ ДВУХСТУПЕНЪЧАТАГА КВА31СТАЦЫЯНАРНАГА ПЛАЗМАВАГА ПАСКАРАЛЫНКА I IX УПЛЫУ НА УЛАСЩВАСЦ1 ПЛ АЗМ АВЫХ ПЛЫНЯУ

KвaзicтaI^ыянapны плазмавы паскаралыпк, кампрэсшная плазмавая плынь, размеркавапне элекгрычных 1 магштных палёу, ква-этрадыялънае раз-меркаванне тока, шгэрфераметрычныя даследаваши.

Высокахуткасныш фотаграф1чным1, спектраскашчным», штэрфе-рэнцыйна-пснсвьш! 1 зондавымх метадам! даследаваны фiзiчныя працэсы у ас-ноуным паскаральным канале 1 кампрэсшнай плазмавай плыш двухсту-пеньчатага кваз^стацшшарнага моцнатокавага плазмавага паскаральнпса (КМПГТ) з магштнай экрашроукай асабгсткпи токамг "паупразрыстых" (стрыжнявых) трансформерау (электродау);

Уперпшшо рэашзаваны кампрэсшш харакгар цячэння плазмы у КМПП, кат за срэзам катоднага трансформера фармуецца кампрэсшная плазмавая плынь даужт.шбй - 50 см 1 дыяметрам у абсяту найбольшага стцскання ~ 3 см, якая устойлзва ¡снус на працягу квазкггацыянарнай стадып разраду 200 мкс), вызначаны асноуныя газадынам1чныя 1 тэрмады-нам!чныя параметры такой пльпп.

Упертыню атрымана кваз!радыяльнае размеркаванне тока у асноуным паскаральным канале КМПП, якое забяспечвае эфекгыунасць працзсау пас-карэння плазмы. Наказана, што харакгар размеркавання тока у канале плазмавага паскаралынка вызначаецца абметшм1 працэсам! каля катоднага 1 анод-яага трансформерау.

Паказана, што У паскаральным канале КМПП безвгхравое размеркаванне тока хараюэрызуеада пастаянствам дынам1чнага параметра т](Т), якз вы-¡начаецца як адносшы лакальнай канцзтрацьп элекгронау у плазме да юунага разраднага току, а фармаванне замкнёных токавых пецель (шхарау) ¡управаджаецца яго папелгчэннем.

РЕЗЮМЕ. Маньковский Александр Алексеевич. МАГНИТОПЛАЗМОД1 НАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КАНАЛЕ ДВУХСТУПЕНЧАТОГС КВАЗИСТАЦИОНАРНОГО ПЛАЗМЕННОГО УСКОРИТЕЛЯ И И) ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ

Квазистационарный плазменный ускоритель, компрессионный плаз менный поток, распределение электрических и магнитных полей, квазиради альное распределение тока, интерферометрические исследования.

Высокоскоростными фотографическими, спектроскопическими, ин терференционно-теневыми и зондовыми методами исследованы физически процессы в основном ускорительном канале и компрессионном плазменног потоке двухступенчатого квазистационарного сильноточного плазменног ускорителя (КСПУ) с магнитной экранировкой собственными токам "полупрозрачных" (стержневых) трансформеров (электродов).

Впервые реализован компрессионный характер течения плазмы КСПУ, когда за срезом катодного трансформера формируется компрессио* ный плазменный поток дойной ~ 50 см и диаметром в области максимальнс го сжатия ~ 3 см, устойчиво существующий в течение квазистационарно стадии разряда (~ 200 мкс), определит основные газодинамические и терм< динамические параметры плазмы такого потока.

Впервые получено квазирадиальное распределение тока в основном yi коритсльном канале КСПУ, обеспечивающее эффективность процессов у корения плазмы. Показано, что характер распределения тока в канале пла менного ускорителя определяется обменными процессами вблизи катодао! и анодного трансформеров.

Показано, что в ускорительном канале КСПУ безвихревое распределен! тока характеризуется постоянством введенного в рассмотрение динамическ го параметра n(t), определяемого как отношение локальной концентращ электронов в плазме к полному разрядному току, а формирование замкнуть токовых петель (вихрей) сопровождается его возрастанием. ,

SUMMARY. ManTcovsky Aleksandr Aleksejevich. MAGNETOPLASMA-DYNAMTC PROCESSES IN A CHANNEL OF A TWO-STAGE QUASISTATTONARY PLASMA ACCELERATOR AND THEIR INFLUENCE ON PROPERTIES OF PLASMA FLOWS

Quasistationary pasma accelerator, compression plasma flow, distribution of electrical and magnetic fields, quasiradial current distribution, interferometric investigations.

Physical processes in the main acceleating channel and compression plasma flow of two-stage quasistationary high-current plasma accelerator (QHPA) with magnetic shielding by inherent currents of "semitransparent" (made up of metal rods) transformers (electrodes) were studied using high-speed photography, spectroscopy, interferometry, shadowgraphy, as well as probe methods for electric and magnetic field evaluation.

For the first time a compression character of plasma flow in the QHPA was realized, marked by formation downstream the cathode transformer of compressed plasma flow 50 cm long and 3 cm in diam (in area of maximum compression) retaining steadiness over the discharge quasistationary phase (approximately 200 psec); the main gas-kinetic and thermodynamic parameters of plasma in such a flow were first determined.

The current quasiradial distribution in the QHPA main channel, enabling effective plasma acceleration, was originally obtained. A character of a current distribution in the plasma accelerator channel is shown to be determined by exchange processes in vicinities of cathode and anode transfomers.

The non-vortex current distribution in the QHPA accelerating channel is shown to feature constancy of introduced into consideration dynamic parameter r|(t), determined as the ratio of electron local concentration in plasma to the total discharge current, while the locked current loops (vortices) formation to be accompanied by its growth.