Плазмодинамические процессы и динамика компрессионных потоков в квазистационарных плазменных ускорителях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И АТОМНОЙ ФИЗИКИ

ОД

УДК 533.9.08 с Ь"^

АСТАШИНСКИЙ ВАЛЕНТИН МИРОНОВИЧ

ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА КОМПРЕССИОННЫХ ПОТОКОВ В КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ УСКОРИТЕЛЯХ

01.04.08. - Физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Минск -2000

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

Научный консультант: доктор физико-математических

наук, профессор Минько Л.Я.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Орлов JI.H.

член-корреспондент HAH Беларуси, доктор технических наук, профессор Точидкий Э.И.

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

Оппонирующая организация —

Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт", г. Харьков, Украина

Защита состоится " 30 " июня 2000 г. в 930 на заседании совета по защите диссертаций Д 01.01.01 при Институте молекулярной и атомной физики HAH Беларуси (220072, г. Минск, пр. Ф.Скорины, 70, тел.284-17-25).

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

.' Автореферат разослан "25 " мая 2000 г.

п О

9

в ъъ

Ученый секретарь совета по защите диссертаций доктор физ.-мат. наук

/ с О VbvLsGb-?

'-ог

В.А.Кузьмицкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема управляемого термоядерного синтеза, тотребности космической и лазерной техники, а также современной технологии стимулируют развитие методов получения высокоэнергетических оправленных плотных плазменных потоков, в том числе и компрессион-шх потоков, существование которых было предсказано теоретически профессором А.И.Морозовым. Явление сжатия плазмы в той или иной ;тепени наблюдают практически во всех сильноточных плазменных ускорителях с собственным азимутальным магнитным полем, поэтому исследо-тния таких ускорительных систем и генерируемых ими компрессионных тлазменных потоков важно для развития плазмодинамики в целом.

В явном виде компрессионные плазменные потоки получают с помо-цью плазменных ускорителей, в которых ускорение плазмы сопровождайся ее сжатием за счет взаимодействия продольной составляющей тока с обственным азимутальным магнитным полем. В результате за срезом щутреннего электрода формируется компрессионный поток, параметры шазмы в котором существенно выше, чем в межэлектродном промежутке, {ля получения компрессионных потоков используют газоразрядные и эро-ионные компрессионные системы, работающие в условиях вакуума. В то <е время несомненный интерес представляют исследования по получению ысокоэнергетических плазменных потоков в воздухе при атмосферном двлении, т.е. в условиях свободного доступа к плазме.

Традиционные одноступенчатые плазменные ускорители достигли лределенного предела в своем развитии, поскольку практически исчерпа-:ы пути повышения параметров плазмы, генерируемой такими системами. 1оэтому дальнейшее развитие плазменных ускорительных систем связано исследованиями нового квазистационарного сильноточного плазменного скорителя (КСПУ), физические принципы которого предложены профес-ором А.И.Морозовым.

КСПУ, в отличие от существовавших ранее ускорителей, представля-г собой двухступенчатую плазмодинамическую систему с магнитной эк-анировкой элементов ускорительного канала, образованного проницае-ыми трансформерами (электродами), работающую в режиме ионного то-опереноса. В такой системе реализуется ионно-дрейфовое ускорение за-апшченной плазмы, что является, по существу, новым разделом плазмо-инамики. Возможности получения плазмы с высокими значениями пара-етров, следующие из теоретического рассмотрения процессов в КСПУ, гимулировали разработку и создание таких плазмодинамических систем.

Для реализации проекта КСПУ в начале 80-х годов была создана ооперация ведущих научных организаций в области плазменных ускори-

телей под общим руководством академиков А.П.Александрова Е.П.Велихова и научным руководством профессора А.И.Морозова, к] вошли ИАЭ им. И.В.Курчатова (ныне РНЦ "Курчатовский институ Россия) и его филиал в г.Троицке (ныне Троицкий институт инновацш ных и термоядерных исследований, ТРИНИТИ, Россия), Институт физк Академии наук БССР (ныне Институт физики, ИФ HAH Беларуси и I статут молекулярной и атомной физики, ИМАФ HAH Беларуси), ХФ". (ныне ННЦ "Харьковский физико-технический институт", Украина), I статут прикладной математики им. М.В.Келдыша (Россия), ЛФТИ i А.Ф.Иоффе (Россия), Московский авиационный институт (МАИ) \ С.Орджоникидзе (Россия), Московский государственный технологическ университет (МГТУ) им. Н.Э.Баумана (Россия) и др.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке, создан] и комплексным экспериментальным исследованиям квазистационарн сильноточных плазменных ускорительных систем с собственным азм тальным магнитным полем, в которых ускорение плазмы сопровождает формированием на выходе устройств компрессионных плазменных по: ков.

Первые экспериментальные исследования и численное моделиро! ние процессов в КСПУ подтвердили справедливость физических принг пов, положенных в его основу (определяющую роль ионного токопери са, эффект магнитной экранировки конструктивных элементов собствг ными токами) и работоспособность двухступенчатой схемы ускорения также показали возможность получения в квазистационарном режиме в сокоэнергетических компрессионных плазменных потоков с направленн скоростью более 107 см/с. Уже сегодня КСПУ, не имеющий аналогов в v ре, по совокупности своих характеристик превосходит все имеющиеся в i стоящее время типы ускорителей плазмы.

Плазменные потоки, генерируемые КСПУ, представляют интерес только для фундаментальных исследований течения замагниченной шк мы в электромагнитных полях различной конфигурации, но и для решен ряда задач управляемого термоядерного синтеза (инжекция плазмы в р; личного рода ловушки, проблема первой стенки термоядерного реакторе др.), для метания макрочастиц (микрометеоритов) в вакууме (эффективн передача энергии плазмы частицам возможна только при высоких зна< ниях скорости и плотности плазменного потока при достаточной длите/ ности разряда). КСПУ представляет также значительный интерес для рг работки новых технологий плазменного упрочнения. Первые экспериме ты по упрочняющей обработке поверхностей конкретных деталей из ю ко- и среднеуглеродистых сталей, выполненные в рамках задания Мин стерства промышленности Республики Беларусь, продемонстрирова.

остаточно высокую эффективность воздействия плазменных потоков 1СПУ на образцы диаметром до 20 см, приводящего к образованию уп-очненного поверхностного слоя глубиной 0,1+0,3 мм при увеличении его икротвердости в 5-6 раз.

Связь работы с крупными научными программами. Диссертационная абота выполнялась в Институте физики АН БССР, а затем в Институте олекулярной и атомной физики НАН Беларуси:

— в рамках Всесоюзных программ по реализации проекта КСПУ в эответствии с Постановлением Президиума АН СССР, ГКАЭ и Минвуза ССР № 164 от 29.11.82 г., Постановлением ГКНТ СССР № 396 от 26.07.83 , Постановлением Президиума АН СССР, ГКАЭ и Минвуза СССР № ГУ-Z6 от 26.11.87 г.;

— в рамках Государственных (Республиканских) комплексных прозами фундаментальных исследований в области естественных наук:

"Разработка способов получения и исследования плазмы, исследова-ле ее свойств, использование плазмы для научных и технологических це-;й" на 1982-1986 г.г. ("Плазма", утверждена Постановлением № 194 Пре-щиумаАН БССР 15 декабря 1983 г., тема "Плазма 14");

"Развитие способов получения плазмы, исследование ее свойств, ис-эльзование плазмы для научных и технологических целей на 1986-1990 г. ("Плазма 2", утверждена Постановлением № 155 Президиума АН ССР 25 декабря 1985 г., тема "Плазма 2.22");

"Развитие способов получения плазмы и исследование ее свойств в 13личных условиях существования с целью повышения эффективности [ергетических и технологических плазменных процессов" на 1991-1995 г.г. Плазма 3", утверждена Постановлением № 116 Президиума АН БССР 5 жабря 1990 г., тема "Плазма 3.07");

"Экспериментальные и теоретические исследования свойств плазмы данного состава и контролируемых параметров в различных плазменных точниках" на 1996-2000 г.г. ("Плазмодинамика", утверждена Постанов-нием № 88 Президиума АН Беларуси 23 ноября 1995 г., тема Тлазмодинамика 09");

— по Заданию Министерства промышленности Республики Беларусь . 1993-1995 г.г., в рамках договора № МС 165-93 от 25.03.93 г.;

— в рамках проекта Международного научного фонда и Правитель-ва Республики Беларусь "Исследование влияния магнитоплазмодинами-ских процессов в двухступенчатом квазистационарном сильноточном :азменном ускорителе на параметры компрессионного плазменного пока", грант № F92100 от 10.09.1995;

— в рамках Программы двухстороннего научно-технического со-удничества между Республикой Беларусь и Союзной Республикой Юго-

славией, подписанной 27 ноября 1998 года в Минске (пункт 5, разде "Физика").

Целью настоящей работы является разработка и создание квазист; ционарных плазмодинамических компрессионно-ускорительных систе> способных генерировать компрессионные плазменные потоки заданног состава (газоразрядные и эрозионные) в широком диапазоне их параме'; ров в различных условиях окружающей среды (вакуум, газы при пониже! ном и атмосферном давлении), выяснение физических закономерностей ответственных за формирование, ускорение и сжатие компрессионны плазменных потоков, а также поиск путей управления параметрами таки потоков.

Реализация поставленной цели требует решения целого ряда зада1 таких, как

— разработка, создание и исследование плазмогенераторов компакт ной геометрии, способных работать в качестве активных элементов КСШ и обеспечивающих получение компрессионных плазменных потоков пр: относительно малом энергосодержании накопителя;

— разработка, создание и исследование двухступенчатого КСПУ пассивным анодным и полуактивным катодным трансформерами (элек тродами), способного генерировать высокоэнергетические компрессион ные плазменные потоки достаточно больших линейных размеров;

— разработка, создание и исследование плазмодинамических систем способных генерировать компрессионные эрозионные плазменные поток] заданного состава в плотных газах;

— создание диагностического комплекса, позволяющего определять пространственно-временным разрешением основные газодинамические термодинамические и излучательные параметры плазмы, а также распре деления электрических и магнитных полей в квазистационарных плазмен ных ускорителях;

— выяснение возможностей использования компрессионных плаз менных потоков для упрочняющей обработки поверхностей низко- и сред неуглеродистых сталей, а также для создания высокояркостных источни ков излучения.

Методология и методы проведенного исследования. Комплексные экс периментальные исследования, представленные в диссертационной работе проводились высокоскоростными методами фоторегистрации, спектро скопии, интерферометрии и теневой съемки, зондовыми методами измере ния электрических и магнитных полей, а также развиваемым фотоэлектри ческим методом регистрации излучения плазмы при постоянном контрол( электротехнических параметров разряда в плазменных ускорителях.

Научная новизна и значимость полученных результатов.

Научная новизна работы заключается в следующих результатах, меющих приоритетный характер:

Для квазистационарных плазменных ускорителей с импульсной по-ачей рабочего газа экспериментально получен критерий, устанавливаю-шй условия генерации плазменных потоков с максимальными парамет-ами и относительно низким содержанием примесей при заданном уровне апасаемой в накопителе энергии в зависимости от макроскопических ха-актеристик разряда (максимального значения разрядного тока и массово-э расхода рабочего вещества).

Экспериментально получены квазирадиальное (соответствующее асчетному) распределение тока в основном ускорительном канале КСПУ течение длительности стадии устойчивого (квазистационарного) сущест-эвания разряда, обеспечивающее эффективное бездиссипативное ускоре-ие плазмы, а также распределение тока с "антискольжением", при кото-ом значения тока у катодного трансформера "отстают" от его значений у тода, где изолинии тока практически нормально подходят к его поверх-ости. Показано, что квазирадиальный характер распределения тока в ка-але ускорителя устанавливается, когда 4 = Распределение тока со жольжением" реализуется, если 4 > 774> а режим с " антискольжением" аблюдают при 4 < 74- Здесь 4 и 4 — параметры обмена соответственно поверхности катодного и анодного трансформеров, г] — коэффициент этерь токонесущих ионов, связанный с конструкцией трансформеров и ¡аимодействием указанных ионов с плазмой в канале ускорителя.

Введены в рассмотрение безразмерные коэффициенты %к и ~/а, показы-иощие соответственно отношение разности потенциалов в узком слое у эверхности катодного и анодного трансформеров к разности потенциа->в между электродами (трансформерами) в целом. Показано, что по со-гношению значений хк и Ха можно судить о характере распределения раз-щного тока в канале КСПУ: при квазирадиальном распределении тока и о "скольжении" х* > Ха> а в режиме с "антискольжением" тока хк < Ха> тчем.Хк при "скольжении" тока для соответствующих моментов времени егда превышает значение при квазирадиальном распределении тока, а при "скольжении" тока, наоборот, всегда меньше значения %а ПРИ ег0 ¡азирадиальном распределении. Введен в рассмотрение динамический ко-)фициент т](\), определяемый как отношение локальной концентрации ектронов в плазме к полному разрядному току, характеризующий сте-нь "стационарности" исследуемого параметра. Показано, что на квази-ационарной стадии разряда значения 77(7,1 в компрессионном потоке

практически постоянны, т.е. концентрация электронов плазмы "следует" з изменением полного разрядного тока ускорителя.

Установлено, что существует некоторый характерный (граничны? диапазон значений плотности электронов плазмы во входной части ускс рительного канала КСПУ, при котором в межэлектродном промежутке ус танавливается распределение тока, близкое к радиальному. При превыше нии этого диапазона в канале КСПУ наблюдают распределение тока с "скольжением"; когда же плотность электронов плазмы становится ниж граничной — реализуется распределение тока с "антискольжением".

Экспериментально установлено, что формирование на начально стадии разряда замкнутых токовых петель (вихрей) во входной части ускс рительного канала КСПУ происходит на фоне увеличения плотност плазмы, связанного с торможением плазменного потока первой ступени н элементах катодного трансформера, и, как следствие, возрастанием здес напряженности магнитного поля.

Предложены и созданы торцевое эрозионное устройство и комбини рованная эрозионная плазмодинамическая система, способные в воздух при атмосферном давлении генерировать свободные от внешней сплошно] плазменной оболочки компрессионные эрозионные плазменные поток: заданного состава, определяемого материалом внутреннего электрода Комбинированная плазмодинамическая система обеспечивает эффектов ный ввод энергии в компрессионный эрозионный плазменный поток и, ка: следствие, повышение его параметров. Показано, что течение плазмы : рассматриваемых эрозионных плазмодинамических системах являете компрессионным и, с учетом особенностей, связанных с формирование! внешних токонесущих плазменных струй, описывается электродинамиче ской теорией ускорения плазмы.

При взаимодействии компрессионного плазменного потока с непол вижной преградой выявлены две взаимосвязанные, одновременно сущест вующие в течение длительности одного разряда области повышенной ин тенсивности плазмы, являющиеся источниками излучения с различным] яркостными температурами: одна — компрессионный поток (состав плаз мы определяется, в основном, рабочим газом), вторая — ударносжатьн приповерхностный слой, состав которого преимущественно определяете, материалом преграды.

Показано, что процесс взаимодействия компрессионного плазменно го потока с преградой определяется самосогласованным образом динами ческим напором набегающего потока и газокинетическим разлетом плаз мы формирующегося ударносжатого приповерхностного слоя. Установле но, что с ростом начального давления рабочего газа энергия излучени плазмы компрессионного потока имеет тенденцию к насыщению в иссле

дованном диапазоне начальных параметров как в случае свободного истечения, так и при ограничении потока преградой. Такое поведение энергии излучения объясняется тем, что ее рост происходит, в основном, за счет возрастания площади излучающей поверхности источника.

Экспериментально получен режим работы КСПУ с общей длительностью разряда 4 миллисекунды, в течение которого формируется серия из 4 импульсов по 400 мкс каждый, отстоящих друг от друга на ~ 800 мкс. В этом случае за время одного разряда КСПУ в течение длительности каждого импульса образуется свой компрессионный плазменный поток, который успевает полностью "развалиться" к началу следующего импульса.

Научная значимость полученных результатов определяется тем, что они: 1) устанавливают критерии и закономерности, позволяющие определять оптимальные режимы работы и управлять параметрами квазистационарных плазменных ускорителей;

2) развивают представления об определяющем влиянии ионно-обменных процессов в ускорительном канале квазистационарных плазменных ускорителей на характер распределения тока, а, следовательно, и течения плазмы в таких системах;

3) открывают возможность получения компрессионных эрозионных плазменных потоков заданного состава и управляемых параметров в плотных газах.

Практическая значимость полученных результатов.

Использование полученных в диссертационной работе результатов юзволяет оптимизировать квазистационарные плазменные ускорители для толучения максимальных параметров генерируемых плазменных потоков. Остановленные закономерности позволяют существенно сократить и упросить процедуру предварительного диагностирования режимов работы свазистационарных ускорителей, что особенно важно для мощных и слож-шх плазмодинамических ускорительных систем.

Показана достаточно высокая эффективность использования комиссионных плазменных потоков, генерируемых КСПУ, для упрочняю-цей обработки поверхностного слоя образцов (диаметром до 20 см) из шзко- и среднеуглеродистых сталей, установлены закономерности и осо-кнности воздействия таких потоков на различные многопрофильные по-(ерхности, что может служить научной основой разработки новых плаз-1енных технологий упрочнения деталей машин.

Полученные новые научные результаты позволяют сформулировать ледующие основные положения, выносимые на защиту:

I. В одноступенчатых квазистационарных плазменных ускорителях с [мпульсной подачей рабочего газа максимальные скорость плазмы и сте-[ень сжатия компрессионного потока с относительно низким содержанием

примесей реализуются при таких интегральных характеристиках разряда когда кривая зависимости амплитудного значения разрядного тока от мае сового расхода рабочего вещества имеет минимум при заданном уровн запасаемой в накопителе энергии.

2. Выявленные закономерности поведения плазмы, характеризующи ионно-обменные процессы в ускорительном канале КСПУ, позволяю-управлять в межэлектродном промежутке характером распределения ток; и, как следствие, выходными параметрами компрессионного плазменной потока: квазирадиальное распределение тока в канале ускорителя, обеспе чивающее получение максимальной скорости плазмы, устанавливается, ко гда 4 = 7]4 (4 и 4 — параметры обмена соответственно у поверхности ка тодного и анодного трансформеров (электродов), т]— коэффициент потер] токонесущих ионов, связанный с конструкцией трансформеров и взаимо действием указанных ионов с плазмой в канале ускорителя); распределен» тока со "скольжением", при котором получают максимальную концентра цию электронов плазмы, реализуется, если 4 > 774, а "антискольжение: тока, обеспечивающее максимальную степень сжатия компрессионного по тока, наблюдают при 4 < ??4-

3. Установленная связь между соотношением введенных безразмер ных коэффициентов и характеризующих распределение потенциал; вблизи катодного и анодного трансформеров, и видом распределения ток; в межэлектродном промежутке позволяет существенно упростить и сокра тить процедуру предварительного диагностирования режимов работь КСПУ: при Хк > Ха в ускорительном канале реализуется квазирадиально распределение тока или его "скольжение", а при Хк < Ха устанавливаете распределение тока с "антискольжением", причем хк при "скольжении" то ка для соответствующих моментов времени всегда превышает значение х при квазирадиальном распределении тока, а ха ПРИ "скольжении" тока, на оборот, всегда меньше значения Ха ПРИ его квазирадиальном распределе

НИИ.

4. Предложенное торцевое эрозионное устройство генерирует в воз духе при атмосферном давлении ранее не реализуемые свободные от внеш ней сплошной плазменной оболочки компрессионные эрозионные плаз менные потоки заданного состава, определяемого материалом внутренней электрода. Предложенная комбинированная эрозионная плазмодинамиче екая система обеспечивает эффективный ввод энергии непосредственно : компрессионный эрозионный плазменный поток, имеющий при этом не достижимые ранее в указанных условиях параметры: скорость плазменно го потока — 5-Ю6 см/с, концентрация электронов плазмы —1018 см-3, тем

пература плазмы — 40-103 К при длительности квазистационарной стадии разряда ~ 70 мкс.

5. Воздействие компрессионных плазменных потоков КСПУ на многопрофильные образцы из низко- и среднеуглеродистых сталей серией импульсов относительно малой скважности приводит к существенному упрочнению поверхности (в 5-6 раз) с достаточными для практического применения глубиной 0,1+0,3 мм) и микротвердостыо (~ ¡0000 МПа) модифицированного слоя вследствие реализации в указанных условиях эффекта "накопления глубины закалки", обусловленного чередованием процессов быстрого нагрева и охлаждения обрабатываемого слоя материала.

Диссертационная работа отражает личный вклад соискателя в исследования, выполненные в ИМАФ HAH Беларуси по изучению квазистационарных плазменных ускорителей. Соискателю принадлежит постановка задач экспериментальных исследований, разработка и создание экспериментальных установок, непосредственное участие в проведении экспериментов, анализ и интерпретация полученных результатов, а также постановка задачи для численного моделирования течения плазмы в КСПУ с учетом проницаемости катодного трансформера. Научный консультант Л.Я.Минько осуществлял общее руководство работой и принимал участие в обсуждении полученных результатов. Соавторы работ А.И.Морозов сформулировал физические принципы КСПУ и принимал участие в обсуждении полученных результатов, С.И.Ананин проводил численное моделирование процессов в КСПУ и принимал участие в обсуждении экспериментальных результатов, Г.И.Баканович принимала участие в проведении спектроскопических исследований и обсуждении их результатов, Е.А.Костюкевич — в проведении интерферометрических и теневых исследований и обсуждении их результатов, А.М.Кузьмицкий — в исследованиях входных ионизационных камер, спектроскопических исследованиях КСПУ и обсуждении их результатов, А.А.Маньковский — в проведении экспериментальных исследований плазменных ускорителей и обсуждении их результатов, Ю.А.Чивель — в проведении исследований воздействия плазменных потоков КСПУ на поверхности образцов, анализе их структуры и свойств, обсуждении полученных результатов.

Апробация результатов диссертации. Результаты исследований докидывались на XVII, XVIII, XIX, XX, XXI, XXIV Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (Дюссельдорф, Германия, 1983; Будапешт, Венгрия, 1985; Белград, Югославия, 1989; Барга, Италия, 1991; зохум, Германия, 1993; Варшава, Польша, 1999), XI Европейской конфе->енции по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (Санкт-Тетербург, Россия, 1992), XVIII и XIX Международных симпозиумах по эизике ионизованных газов (Нови Сад, Югославия, 1996; Белград, Юго-

славия, 1998), VI Всесоюзной конференции "Динамика излучающего газа! (Москва, 1987), VII Всесоюзной конференции по плазменным ускорителя? и ионным инжекторам (Харьков, 1989), V Всесоюзном совещании по диаг ностике высокотемпературной плазмы (Минск, 1990), II, III, IV Всесоюз ных симпозиумах по радиационной плазмодинамике (Москва, 1991, 1994 1997), конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991 Петрозаводск, 1998), международной конференции "Физика и техник; плазмы" (Минск, 1994), международной конференции "Физика плазмы ) плазменные технологии" (Минск, 1997).

Результаты диссертационной работы опубликованы в 25 статьях в на учных журналах и сборниках, в 13 статьях в материалах международны конференций, в 4 статьях в материалах конференций, в 5 тезисах докладо: международных конференций, в 19 тезисах докладов конференций, в опи саниях к 2 авторским свидетельствам. Общий объем опубликованных ма териалов составляет 245 страниц в 68 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введение общей характеристики работы, шести глав и заключения. Общий объс! диссертации составляет 250 страниц, в том числе 85 иллюстраций на 8 страницах и список использованных источников из 255 наименований н 23 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе, носящей обзорный характер, рассматриваются теор« тические основы течения плазмы в канале плазменного ускорителя и фор мирования компрессионных плазменных потоков, представлен критич« ский анализ современного состояния исследований газоразрядных и эре знойных квазистационарных плазменных ускорителей в различных усле виях окружающей среды (вакуум, газы при пониженном и атмосферно давлении), а также исследований по взаимодействию плазменных потоко] генерируемых такими ускорителями, с различными преградами, что пс зволило сформулировать представленную в Общей характеристике работ: цель исследований и поставить задачи для ее реализации.

Вторая глава содержит описание экспериментальных стендов, со: данных для исследования квазистационарных одно- и двухступенчать: сильноточных плазменных ускорителей как газоразрядного, так и эроз! онного типов, а также методов диагностики, применяемых при исследов; нии компрессионных плазменных потоков.

Для получения компрессионных газоразрядных и эрозионных пла менных потоков были созданы 3 экспериментальных стенда, отличающи

ся типом и схемами применяемых разрядных устройств плазменных ускорителей, а также уровнем запасаемой в емкЪстных накопителях энергии (от 15 до 215 кДж).

Экспериментальный стенд для исследований магнитоплазменного компрессора компактной геометрии (МПК-КГ). Вакуумная камера образована двумя отсеками (диагностическим, с размерами 25x25x50 см и пролетным, диаметром 30 см и длиной 100 см), составляющими единый объем длиной 150 см, в прямоугольном торце которого установлено разрядное устройство МПК-КГ. Накопитель энергии включает в себя основную секционированную конденсаторную батарею с общим энергозапасом до 15 кДж для питания МПК-КГ и батарею конденсаторов с запасаемой энергией до 1,4 кДж для питания электродинамического клапана напуска рабочего газа.

Разрядное устройство МПК-КГ состоит из внутреннего электрода, являющегося катодом, выполненным из меди в виде усеченного конуса с диаметрами большого и малого оснований 3 см и 0,6 см соответственно, длиной 5 см, и внешнего электрода, представляющего собой цилиндр, образованный восемью медными стержнями диаметром 0,8 см и длиной 11,5 см, симметрично расположенными по окружности диаметром 5 см. Подача рабочего газа в межэлектродный промежуток МПК-КГ осуществляется кольцевым электродинамическим клапаном.

Экспериментальный стенд для получения и исследования компрессионных плазменных потоков средней мощности (как газоразрядных, так и эрозионных). Вакуумная камера из нержавеющей стали имеет размеры 0,6x0,6x1,5 м, в торцевой фланец которой помещается исследуемое разрядное устройство. Секционированный накопитель энергии состоит из 16 конденсаторов ИМ5-150 с суммарной энергией до 30 кДж. Предусмотрена возможность работы накопителя энергии как в режиме одной батареи, так и независимой работы 2-х батарей по 15 кДж в каждой.

Внутренний электрод разрядного устройства МПК средней мощно-;ти выполнен из меди в виде усеченного конуса с осевым отверстием (ди-зертором) и цилиндрической хвостовой частью. Диаметры большого и ма-того оснований усеченного конуса составляют 9 и 2,5 см соответственно. Цлина конусной (рабочей) части внутреннего электрода составляет 15 см. Внешний электрод представляет собой цилиндр, образованный 16 медны-стержнями длиной 40 см, расположенными симметрично по окружно-:ти диаметром 16 см.

Торцевое эрозионное устройство (ТЭУ), с помощью которого были ¡первые получены в воздухе при атмосферном давлении компрессионные шазменные потоки заданного состава, определяемого материалом внут-эеннего электрода, состоит из корпуса-изолятора, в котором крепятся шутренний электрод диаметром 1 см и внешний стержневой электрод, со-

стоящий из четырех стержней диаметром по 1 см каждый, симметрично расположенных по окружности диаметром 4 см. Рабочие торцы электродных стержней и корпуса-изолятора лежат в одной плоскости. Четыре секции конденсаторной батареи (емкостью по 300 либо 600 мкФ каждая) нагружают на разрядное устройство ТЭУ таким образом, что каждая секция соединена через игнитронный разрядник с внутренним электродом и одним из стержней внешнего электрода.

Разрядное устройство комбинированной эрозионной плазмодинами-ческой системы (КЭПС) состоит из несущего фланца из оргстекла, в котором крепятся торцевое разрядное устройство, являющееся первой ступенью, и внешний стержневой электрод второй ступени, представляющий собой набор из 8 медных стержней диаметром 1,2 см и длиной 40 см, симметрично расположенных по окружности диаметром 1 1 см. Внутренний электрод является общим для первой и второй ступеней КЭПС. Накопитель энергии разделяют на две равные части, первая из которых состоит из 4-х секций по 300 мкФ в каждой, а вторая — из 8 секций по 150 мкФ. Первая часть батареи соединена с ТЭУ описанным выше способом, а каждая секция второй части батареи — через игнитронный разрядник с внутренним электродом и одним из стержней внешнего электрода второй ступени.

Экспериментальный стенд КСПУ типа П-50М. Вакуумная камера из нержавеющей стали образована двумя прямоугольными отсеками, составляющими единый объем с размерами 0,8x0.8x4м, в одном из торцов которого установлено разрядное устройство КСПУ типа П-50М. Секционированная основная батарея КСПУ состоит из 80 конденсаторов ИМ5-150 с рабочим напряжением до 5 кВ (запасаемая энергия — до 150 кДж). Накопитель энергии первой ступени с общим энергозапасом до 60 кДж разделен на четыре секции — по числу входных ионизационных камер (ВИК), составляющих входной ионизационный блок. Батарея клапанного напуска рабочего газа с запасаемой энергией до 5,4 кДж также разделена на четыре секции (по числу ВИК).

Разрядное устройство КСПУ П-50М состоит из входного ионизационного блока (ВИБ), анодного и катодного узлов (трансформеров), а также системы разделительных изоляторов. Пассивный анодный трансформер состоит из кольцевого анодного фланца, в котором симметрично по окружности диаметром 50 см крепят 36 медных стержней длиной 120 см и диаметром 1,5 см каждый. К анодному фланцу через два кольцевых изолятора крепят кольцевой несущий фланец входного ионизационного блока, состоящего из четырех входных ионизационных камер, расположенных симметрично по окружности диаметром 39 см, причем каждая ВИК изолирована от несущего фланца и, следовательно, друг от друга. Конструкция ВИК разработана на основе МПК-КГ с клапанным напуском рабочего га-

за. Катодный трансформер полуактивного типа находится на оси разрядного устройства КСПУ П-50М. Он состоит из двух разделенных изоляторами коаксиальных цилиндров диаметром 3,5 и 6 см, которые соединены между собой 16-ю медными трубками диаметром 1 см, образующими эллипсоид вращения с максимальным диаметром 28 см и длиной 50 см. Расположенные в промежутках между трубками на внутреннем цилиндре 176 медных заостренных иголок диаметром 0,3 см выполняют роль токоприемников, или, другими словами, эмиттеров электронов для нейтрализации токонесущих ионов. В переднем торце катодного трансформера находится диверторное отверстие. Конструкция катодного трансформера позволяет, во-первых, перемещать его вдоль оси системы относительно ВИБ, тем самым изменяя длину дрейфового канала, и, во-вторых, изменять размеры эллипсоида вращения, меняя тем самым профиль ускорительного канала.

Дано описание методов диагностики (высокоскоростных фоторегистрационных, интерферометрических, спектроскопических, зондовых методов измерения электрических и магнитных полей, фотоэлектрических методов регистрации излучения плазмы и методов измерений электрических параметров разряда), используемых при исследованиях квазистационарных плазменных ускорителей. Указаны погрешности измерений при использовании данных методов.

В третьей главе изложены результаты комплексных экспериментальных исследований специально разработанного плазмогенератора на основе магнитоплазменного компрессора компактной геометрии (МПК-КГ), способного работать в составе КСПУ в качестве его активных элементов — входных ионизационных камер (ВИК). Такие исследования представляют и самостоятельный интерес, поскольку посвящены изучению свойств компрессионных плазменных потоков, формируемых в плазменных ускорителях с собственным азимутальным магнитным полем.

Выбор разрядного устройства ускорителя, способного работать в составе КСПУ в качестве входной ионизационной камеры, проводили по результатам комплексных сравнительных исследований двух моделей МПК компактной геометрии, отличающихся формой и местом расположения изолятора: с цилиндрическим (МПК-КГ1) и торцевым плоским (МПК-КГ2) изоляторами. В МПК-КГ1 изолятор из оргстекла с развитой поверхностью помещен в полости в несущем фланце, а в МПК-КГ2 изолятор полностью покрывает поверхность несущего фланца в межэлектродном промежутке. Сравнительные исследования двух моделей разрядного устройства МПК-КГ проводили высокоскоростными методами фоторегистрации, интерферометрии и спектроскопии, а также фотоэлектрическим методом регистрации излучения при постоянном контроле электрических параметров разряда. Анализ полученных результатов позволяет установить влия-

ние характера развития разряда в межэлектродном промежутке на параметры плазменного потока. В МПК-КГ2 происходит шунтирование торцевого разделительного изолятора токами, текущими у его поверхности, что вызывает абляцию материала последней и, как следствие, увеличение массы рабочего вещества за счет поступления продуктов эрозии изолятора в разряд. При прочих равных условиях это приводит (по сравнению с МПК-КГ1, где шунтирования разряда не наблюдается) к уменьшению разрядного напряжения ир в межэлектродном промежутке, снижению среднемассо-вой скорости плазменного потока, возрастанию концентрации электронов плазмы, уменьшению степени сжатия (увеличению диаметра) потока, а также к возрастанию энергии излучения плазмы в видимой и ближней ИК областях спектра. Таким образом, оптимизированным вариантом МПК-КГ, способным работать в составе КСПУ в качестве ВИК, является разрядное устройство с цилиндрическим разделительным изолятором и импульсной (клапанной) подачей рабочего газа (водорода). Проведенные исследования показали возможность получения компрессионных плазменных потоков требуемых параметров {ут ~ 2+7-106 см/с, Ые ~ 1016+1017 см"3) с достаточно низким содержанием примесей в МПК компактной геометрии при относительно небольшой энергии накопителя (~ 10 кДж).

Определение массового расхода рабочего газа (водорода) оптимизированного МПК-КГ осуществляли с помощью интерференционно-теневого метода. Массовый расход нейтрального водорода т0 составляет 3+12 г/с при изменении давления в подклапанном объеме с 1 до 3 атм и напряжения на клапанной батарее с 1,5 до 3 кВ. При этом, меняя начальное напряжение накопителя энергии МПК-КГ с 2 до 5 кВ, можно получить амплитудные значения полного разрядного тока в ускорителе в диапазоне 40+120 кА. Были построены вольт-амперные характеристики разряда, определены мгновенная мощность и вкладываемая в разряд энергия, а также энергетический КПД разряда в оптимизированном МПК-КГ, который составляет ~ 0,6-0,8 (большее значение соответствует меньшим массовым расходам рабочего газа).

Изучена динамика формирования компрессионного потока, определены основные параметры плазмы в МПК-КГ. Для всех исследованных режимов работы МПК-КГ видимый диаметр компрессионного плазменного потока составляет 0,5+1 см, а его длина 4+6 см (большие размеры соответствуют большим та\ зависимость же линейных размеров от тока более сложная: с ростом Ттах диаметр потока уменьшается, а его длина растет, при этом угол полураскрытия струи уменьшается с 20 до 5°). Максимальная скорость плазменных образований компрессионного потока в зависимости от амплитудного значения разрядного тока и массового расхода газа составляет (4+7)-106 см/с. Температуру электронов Те в плазменном по-

токе определяли по относительным интенсивностям линий Нр и Нг в предположении существования локального термодинамического равновесия. При массовом расходе водорода 10 г/с и максимальном значении разрядного тока 60 кА температура электронов в плазменном потоке составляет (1-ь2)-104 К. Концентрацию электронов Ne в канале МПК-КГ и в компрессионном потоке определяли как спектроскопическими, так и интерферо-метрическими методами. Значения Аге в канале составили ~ (0,5+1)-1016 см-3, а в потоке — (0,7-г2)-10|7см-3.

Анализ результатов проведенных комплексных экспериментальных исследований оптимизированного МПК-КГ позволил установить простой критерий получения максимальных параметров плазмы компрессионного потока с относительно низким содержанием примесей, основанный на зависимости максимального (амплитудного) значения разрядного тока 1тах от массового расхода нейтрального водорода т0 при использовании в качестве переменного параметра начального напряжения и0 накопителя энергии. Максимальные значения скорости плазмы для каждого и0 получают при таких расходах т0, когда значения 1тах минимальны. Этот минимум с ростом начального напряжения смещается в сторону больших т0. Увеличение максимального значения тока (при фиксированном значении и0) с уменьшением та в области малых расходов газа связано, как показали спектроскопические исследования, с усилением эрозии электродов, что приводит к возрастанию эффективной массы рабочего вещества и, как следствие, к снижению скорости плазмы. Возрастание же тока в тех же условиях с ростом т0 в области больших расходов происходит, в основном, за счет увеличения числа носителей тока вследствие возрастания концентрации частиц и объема газоразрядной плазмы, что также приводит к снижению скорости плазмы. Кроме того, интерферометрические исследования показали, что максимальная степень сжатия компрессионного потока также реализуется, когда зависимость 1тах(т0) имеет минимум. Следовательно, наиболее эффективными с точки зрения получения максимальных параметров плазменного погока при достаточно низком уровне примесей являются режимы работы МПК-КГ, при которых значения 1тах(т0) минимальны.

Полученные значения термодинамических параметров плазмы позволяют определить основные интегральные параметры МПК-КГ, такие, как массовый расход ионов эквивалентный ионный ток I^ и параметр

эбмена £ При изменении массового расхода нейтрального водорода т0 в МПК-КГ с 3 до 12 г/с и разрядного тока 1р с 20 до 100 кА массовый расход тонов т1 возрастает с 0,7 до 3 г/с, а эквивалентный ионный ток /,■„ — с 70

до 300 кА. Параметр обмена £ = 1р / составляет при этом 0,2-0,3. Здесь

— экспериментальное значение разрядного тока, а — определенный

выше эквивалентный ионный ток. Сравнение экспериментально полученных значений основных параметров плазмы с данными, следующими из теории компрессионных течений и результатов численного моделирования показало, что они находятся между собой в хорошем соответствии.

Таким образом, МПК компактной геометрии позволяет получать плазменные потоки с параметрами, необходимыми для работы ВИК в составе входного ионизационного блока КСПУ. Так, массовый расход нейтрального водорода т0 в ВИБ, образованном четырьмя ВИК на основе МПК-КГ, можно варьировать в диапазоне 12-S-45 г/с, суммарный массовый расход ионов m¡, достигающих ускорительного канала основной (второй) ступени КСПУ, может изменяться с ~ 2 до 10 г/с, а суммарный эквивалентный ионный ток — с ~ 200 до 1000 кА; параметр обмена каждой

ВИК при этом составляет ~ 0,2^0,3.

Четвертая глава посвящена комплексным исследованиям квазистационарного сильноточного плазменного ускорителя (КСПУ) типа П-50М со стержневыми пассивным анодным и полуактивным катодным транс-формерами (электродами).

Определены электрические параметры разряда в КСПУ при различных режимах его работы. Рассчитаны мгновенная мощность и вкладываемая в разряд энергия, а также энергетический КПД, определяемый как отношение вкладываемой в разряд энергии к запасаемой в накопителе, который составил ~ 0,7-г0,8. Варьируя параметры ВИБ и напряжение накопителя основной ступени КСПУ, можно получать амплитудные значения разрядного тока в ускорителе в диапазоне 100+400 кА.

Динамику формирования плазменного потока в КСПУ исследовал* методами высокоскоростной фотографии. После включения первой ступе ни КСПУ плазма ВИБ, расширяясь в дрейфовом канале, поступает в ос новной ускорительный канал, равномерно заполняя его объем и попада$ при этом во внутренний объем катодного трансформера Тк. После включе ния основного разряда за срезом катодного трансформера формируете; устойчивый компрессионный плазменный поток диаметром 3+5 см и дли ной ~ 40 см, устойчиво существующий ~ 200 мке при общей длительное^ разряда ~ 400 мкс. На выходе из разрядного устройства П-50М плазмен ный поток расходится с углом полураскрытия струи ~ 40°. Скорость плаз менного потока достигает своего максимального значения в условиях экс перимента при U0 = 4 кВ и составляет ~ 1,7-107 см/с, в то время как при V = 3 кВ она составляет ~ 7106 см/с, а при U0 = 5 кВ — 107 см/с.

Исследования распределения электрических и магнитных полей в КСПУ типа П-50М проводили зондовыми методами. Потенциал плазмы измеряли с помощью одиночного ленгмюровского зонда, а распределение магнитных полей исследовали при помощи магнитных зондов. Исследования проводили при следующих постоянных параметрах ВИБ: массовый расход нейтрального водорода т0 составлял 35 г/с, разрядный ток каждой ВИК (в максимуме) — 60 кА, скорость плазмы — 3-106 см/с. Меняли только начальное напряжение накопителя второй (основной) ступени ускорителя U0 с 3 до 5 кВ, что приводит в условиях эксперимента к изменению амплитудного значения разрядного тока 1р с ~ 200 до 310 кА. Построенная на основании измерений Яр пространственно-временная картина распределения изолиний электрического тока (5HR = const) позволила, в дополнение к обычно получаемому распределению тока со "скольжением", выявить еще два вида распределения последнего в канале КСПУ: квазирадиальное распределение тока и распределение с "антискольжением". При "скольжении" тока его изолинии образуют малый угол (или параллельны) поверхности катодного трансформера, причем значения тока у этого трансформера при данном R "опережают" значения 5HR у анода. При распределении тока с "антискольжением" его значения у катодного трансформера "отстают" от значений у анода, где изолинии практически нормально подходят к его поверхности. В условиях эксперимента на КСПУ П-50М при начальном напряжении накопителя основной ступени U0 = 5 кВ наблюдается "скольжение" тока вдоль катодного трансформера, которое в конце разряда (~ 300 мкс) сменяется квазирадиальным его распределением. При U0 = 4 кВ в канале ускорителя в первые ~ 100 мкс устанавливается распределение тока со "скольжением", которое затем переходит в квазирадиальное. Наконец, при JJо = 3 кВ первые ~ 100 мкс также наблюдается "скольжение" тока, переходящее затем (за время ~ 100 мкс) через квазирадиальное распределение к "антискольжению".

Для характеристики картины распределения потенциала Ф были введены в рассмотрение безразмерные коэффициенты х* и Ха > показывающие соответственно отношение разности потенциалов в узком слое у поверхности катодного (Тк) и анодного (Та) трансформеров к разности потенциалов между электродами в целом: х ~ ДФ/(ФК - Ф„)- Здесь АФ - разность потенциалов в узком слое у поверхности Тк или Та, а Фк и Фа - потенциалы катодного и анодного трансформеров соответственно. При распределении тока в канале КСПУ с "антискольжением" < Ха> в то время как при "скольжении" тока и его квазирадиальном распределении хк > Ха> причем Хк при "скольжении" тока для соответствующих моментов времени всегда превышает значение %к при квазирадиальном распределении тока, а %а при

"скольжении" тока, наоборот, всегда меньше значения Ха ПРИ ег0 квазирадиальном распределении. Следовательно, по соотношению значений хк и Ха можно судить о характере распределения разрядного тока в канале КСПУ. Выявленные соотношения позволяют существенно сократить и упростить процедуру диагностирования режимов работы ускорителя, что особенно важно при работе с мощными и сложными ускорительными плазмодина-мическими системами.

Анализ полученных результатов с точки зрения параметра обмена | показывает следующее. В условиях экспериментов при всех и0 "скольжение" тока сопровождается достаточно большими значениями %к, что указывает на сравнительно высокое значение ЛФ у поверхности катодного трансформера. Указанные явления можно объяснить обеднением лри-электродной зоны носителями тока или, другими словами, малым массовым расходом ионов в этой области. Следовательно, "скольжение" тока характеризуется наибольшим значением параметра обмена 4 в слое У поверхности Тк, поскольку при этом в условиях эксперимента разрядный ток максимален, а расход рабочего вещества минимален. Квазирадиальное распределение тока характеризуется меньшими значениями %к, а значит, и большим расходом ионов в приповерхностном слое катодного трансформера. Поскольку при этом разрядный ток имеет меньшее значение, то и 4 в этом режиме должно быть меньше, чем при "скольжении" тока. Следует отметить, что в прианодной области в условиях эксперимента параметр обмена 4 при переходе от "скольжения" тока к его квазирадиальному распределению практически постоянен. Распределение тока с "антискольжением" наблюдают в экспериментах при и0 = 3 кВ, когда %а становится больше %к. В этом случае расход рабочего вещества у поверхности катодного трансформера превышает расход в прианодном слое и 4 становится меньше 4-

Из проведенного рассмотрения экспериментальных данных следует, что для получения любой из трех описанных выше картин распределения тока в канале КСПУ необходимо согласовать соответствующим образом величины разрядного тока и расхода ионов в прианодной и прикатодной областях или, что то же самое, параметры обмена 4 и 4- Квазирадиальное распределение тока устанавливается, когда 4 = Здесь ц — некий коэффициент потерь токонесущих ионов, связанный с конструкцией трансфор-меров и взаимодействием указанных ионов с плазмой в канале ускорителя; при согласовании работы первой и второй ступеней КСПУ этот коэффициент приближается к единице. Если 4 > 74> то наблюдают распределение тока с его "скольжением" вдоль катодного трансформера Тк. Когда 4 <

r¡$a, то в ускорительном канале реализуется распределение тока с антискольжением. Очевидно, что, поместив внутрь катодного трансформера источник ионов (это может быть и плазма, заполняющая внутренний объем Тк), можно из режима со "скольжением" тока переходить к его квазирадиальному распределению или к распределению с "антискольжением".

Определим, при каком характере распределения тока в основном канале КСПУ ускорительные процессы имеют максимальную эффективность. В КСПУ П-50М нет другой возможности изменять степень прозрачности трансформеров (а, следовательно, и ¿), как изменять величину полного разрядного тока. Для этого в условиях эксперимента изменяли начальное напряжение накопителя UQ, при этом изменяется и уровень запасаемой в нем энергии. При UD = 3, 4 и 5 кВ вкладываемая в разряд энергия составляет соответственно ~ 42 кДж, 80 кДж и 125 кДж. Скорость течения плазмы для этих же режимов составляет соответственно — 7-106 см/с, 1,7107 см/с и 107 см/с. Для каждого U0 разделим полученные значения скорости плазмы на вкладываемую в разряд энергию, т.е. определим, какая скорость "приходится" на 1 кДж вкладываемой в разряд энергии. Тогда для U0 = 3 кВ, когда на квазистационарной стадии разряда устанавливается распределение тока с "антискольжением", на 1 кДж "приходится" ~ 16,7-104 см/с, для U0 = 4 кВ (квазирадиальное распределение тока) — 21,3-104 см/с, и для U0 = 5 кВ (распределение тока со "скольжением") — 8-104 см/с. Отсюда видно, что максимальную эффективность ускорительных процессов наблюдают при квазирадиальном распределении тока, а минимальную — при его "скольжении", несмотря на то, что в условиях эксперимента для этого режима характерна наибольшая вкладываемая в разряд энергия.

Температуру плазмы определяли из результатов экспериментов по набеганию сверхзвукового компрессионного потока на тонкий клин с острой передней кромкой, являющейся источником слабых возмущений. Визуализацию линий возмущений на передней кромке клина осуществляли теневым методом. По известным значениям скорости набегающего компрессионного потока и определенным числам Маха, находили скорость звука в плазме компрессионного потока, а затем и температуру плазмы. Определенная таким образом температура плазмы составляет в условиях экспериментов 10-15 эВ.

Плотность электронов плазмы Ne в основном ускорительном канале КСПУ П-50М определяли с помощью лазерного интерферометра в точке, расположенной на расстоянии 14 см от оси системы в сечении, отстоящем на 20 см от входа в основной ускорительный канал. В зависимости от условий экспериментов Ne составляет ~ (1ч-6)-10,5см-3.

Наблюдаемое поведение концентрации заряженных частиц во входной части основного ускорительного канала можно объяснить следующим образом. Как известно, основной ускорительный канал КСПУ, с учетом вмороженности магнитного поля в плазму, является магнитоплазменным аналогом сопла Лаваля. Ускорительный процесс реализуется в нем, когда на вход поступает плазма, скорость которой меньше "местной" скорости магнитного звука, в критическом сечении скорость плазмы "переходит" через указанную скорость, а в выходной части сопла превышает ее. При течении плазмы в таком канале выполняются, в частности, два закона: непрерывности потока (pVS = const, где р — плотность плазмы, V — скорость плазменного потока, S — сечение канала) и сохранения магнитного потока, означающего вмороженность магнитного поля 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, достигая внутреннего (катодного) транс-формера (до включения основной ступени), тормозится на его элементах. После включения разряда второй ступени, пока ток еще мал, скорость плазмы ВИБ превышает "местную" скорость магнитного звука, что вызывает дополнительное торможение плазмы первой ступени. Торможение плазмы во входной части ускорительного канала и приводит к достаточно быстрому увеличению концентрации электронов во всех исследованных режимах. Отметим здесь, что формирование замкнутых токовых петель во входной части ускорительного канала на начальной стадии разряда как раз и происходит на фоне достаточно резкого увеличения концентрации электронов. 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 U0 = 5 кВ разрядный ток основной ступени и скорость его нарастания выше, чем при U0 = 3 и 4 кВ, поэтому в точке наблюдения "местная" скорость магнитного звука раньше "обгоняет" скорость плазмы первой ступени (т.е. быстрее происходит согласование работы двух ступеней ускорителя) и раньше же начинает спадать плотность плазмы. Несмотря на одинаковые параметры плазмы, генерируемой первой ступенью, значения концентрации электронов при U0 = 5 кВ выше, чем при U0 = 3 и 4 кВ. Это связано с тем, что в первом случае реализуются максимальная подача заанодной плазмы в ускорительный ка-

нал через стержни анодного трансформера (когда между ним и стенками вакуумной камеры зажигается разряд, виртуально выполняющий функции анодных ионизационных камер) и минимальная "прозрачность" катодного трансформера.

По мере развития разряда, в зависимости от соотношений между обменными процессами вблизи катодного и анодного трансформеров, в канале формируются различные конфигурации распределения изолиний тока. Показано, что существует некоторый характерный (граничный) диапазон значений плотности электронов (в условиях эксперимента равный ~ (1,5 - 2)1015 см-5), когда на квазистационарной стадии разряда (после ~ 150 мкс) устанавливается квазирадиальное распределение изолиний тока. Если концентрация электронов выше этого диапазона, реализуется распределение тока со "скольжением". В случае же, когда плотность электронов плазмы в канале становится ниже граничной, наблюдается распределение изолиний тока с "антискольжением".

Концентрацию электронов Ne плазменного потока за срезом катодного трансформера определяли с пространственно-временным разрешением с помощью специально разработанного для исследований КСПУ двух-зеркального автоколлимационного интерферометра И-200 с полем зрения 200 мм. Ne достигает своего максимума на оси потока и, в зависимости от условий эксперимента, составляет ~ (1+8)-1016 см-3. В отличие от поведения Ne в канале, максимум плотности электронов компрессионного потока при U0-5 кВ формируется позднее, чем при U0= 3 и 4 кВ, что связано с характером выноса тока при работе КСПУ в режиме со "скольжением".

Как известно, в плазменных ускорителях разрядный ток, в конечном счете, определяет как сам процесс ускорения, так и параметры формирующихся плазменных потоков. Чтобы представить, как соотносится поведение плотности плазмы и разрядного тока в ускорительной системе, был введен динамический коэффициент r¡(t) как отношение локальной концентрации электронов в плазме к полному разрядному току: r¡(í) = Ne(í)/Ip(t). Другими словами, r¡(^характеризует степень "стационарности" исследуемого параметра (в нашем случае Ne) по отношению к полному разрядному току ускорителя. На квазистационарной стадии разряда в компрессионном плазменном потоке значения r¡nn (t) практически постоянны. Это означает, что скорости изменения NJt) и Ip(t) примерно одинаковы, т.е. iVe следует за поведением разрядного тока. В то же время в канале КСПУ на квазистационарной стадии разряда r¡K(t) возрастает, т.е. Ne в канале ускорителя спадает медленнее, чем разрядный ток (сказывается эффект торможения плазмы ВИБ на элементах ускорительного канала).

Было проведено сравнение экспериментально полученных результатов с данными, следующими из теоретического рассмотрения и численного моделирования физических процессов в таких системах. Рассчитанные значения максимально возможной (в условиях экспериментов) скорости течения плазмы находятся в хорошем соответствии с экспериментально измеренными значениями. В ходе экспериментов было выяснено, что проникновение плазмы внутрь катодного трансформера существенно влияет на структуру и параметры потока в канале. Поэтому в расчетах учитывали эффекты, связанные с проницаемостью трансформеров. Решение системы двумерных уравнений магнитной радиационной газодинамики, описывающей течение плазмы в КСПУ, осуществляли методом крупных частиц с введением магнитного поля. Полученные данные численных расчетов находятся в хорошем соответствии с экспериментальными результатами.

В пятой главе содержится описание предложенных и созданных плазмодинамических систем, способных генерировать компрессионные плазменные потоки заданного состава в воздухе при атмосферном давлении, а также результаты их исследований. Компрессионные эрозионные плазменные потоки (КЭПП) заданного состава, определяемого материалом внутреннего электрода, свободные от внешней сплошной плазменной оболочки, были получены в воздухе при атмосферном давлении с помощью специально разработанного торцевого эрозионного устройства (ТЭУ). В отличие от существовавших ранее устройств, распределение тока по внешнему электроду ТЭУ сделано принципиально неоднородным, для чего сам электрод выполнен секционированным (стержневым). Накопитель энергии также секционирован, причем каждая секция конденсаторной батареи соединена с внутренним электродом и одним из стержней (секций) внешнего электрода. Таким образом, в формировании плазменного потока с внутреннего электрода участвует вся батарея, в то время как в образовании плазменной струи с каждого из стержней внешнего электрода участвует только одна секция батареи. При такой конфигурации разрядной системы на рабочих торцах 4-х стержневого внешнего электрода формируются токонесущие плазменные струи, а с торца внутреннего электрода истекает устойчивый основной плазменный поток. В такой системе значение разрядного тока, проходящего через основной поток, равно, по абсолютной величине, сумме токов, текущих по внешним плазменным струям.

Формирование плазменного потока, истекающего с внутреннего электрода ТЭУ, заканчивается к ~ 25 мкс. С этого времени он макроустой-чив, диаметр потока составляет при этом 0,5-2 см, а длина — 13-15 см. Скорость перемещения переднего фронта свечения плазмы и скорость истечения компрессионного плазменного потока составляют соответственно ~ 0,4-10б см/с и 2-106 см/с для II0 - 5 кВ. Следует отметить, что течение

плазмы является квазистационарным, поскольку время устойчивого существования плазменного потока 100 мкс) значительно больше пролетного времени отдельных плазменных образований (~ 7 мкс).

Попытки повысить параметры компрессионного плазменного потока за счет простого увеличения энергии накопителя оказались неэффективными, поскольку основная доля энергии тратится на эрозию внутреннего электрода, т.е. увеличение массового расхода. Для обеспечения эффективного ввода энергии в плазму, а следовательно, и повышения параметров компрессионного потока была предложена двухступенчатая комбинированная эрозионная плазмодинамическая система (КЭПС) со стержневым внешним электродом, использующая в качестве первой ступени торцевое эрозионное устройство. Разряд второй ступени комбинированной системы включают после формирования в торцевом устройстве компрессионного потока. В этом случае разряд происходит уже между внешним электродом КЭПС и сформировавшимся компрессионным потоком, являющимся плазменным (виртуальным) продолжением внутреннего электрода. Поскольку каждая секция батареи разряжается независимо, а емкость отдельно взятой секции второй части батареи меньше емкости секции первой ее части, то вторая половина батареи успевает разрядиться одновременно с первой. То, что разряд второй части батареи происходит непосредственно на компрессионный плазменный поток и заканчивается практически одновременно с первой ее частью, и обеспечивает эффективный ввод энергии в сам поток.

Сравнение параметров плазмы в комбинированной плазмодинамиче-ской системы и торцевом эрозионном устройстве при одинаковой начальной энергии накопителей, равной 30 кДж, показывает, что энергетический КПД, определяемый как отношение введенной в разряд энергии к запасаемой в накопителе, составляет ~ 0,55 для ТЭУ и ~ 0,7 для КЭПС, а скорость ввода энергии — соответственно 108 и 2-10® Дж/с. Максимальная скорость компрессионного потока при переходе от ТЭУ к КЭПС возрастает с 3106 до 5-Ю6 см/с. Состав же компрессионного эрозионного плазменного потока по-прежнему определяется только материалом внутреннего электрода.

Качественный анализ интегральных во времени спектров свечения плазменного потока показал, что в условиях эксперимента, когда стержни внешнего электрода ТЭУ изготовлены из стали 45 либо дюралюминия, со-:тав компрессионного эрозионного потока определяется материалом внутреннего электрода (медь), поскольку никаких других элементов (кроме таний меди) зарегистрировано не было. Концентрацию электронов в таазменном потоке определяли по уширению спектральных линий меди, обусловленному квадратичным эффектом Штарка. Своего максимального шачения Аге достигает на оси потока в сечении, отстоящем на расстояние 9

см от среза внутреннего электрода, и составляет ~ 2-10!7 см 3 в ТЭУ и ~ 1018 см-3 в комбинированной системе.

Как показали спектроскопические исследования, компрессионный эрозионный плазменный поток обладает достаточно сильным поглощением. В этих условиях надежным методом определения термодинамических параметров плазмы является метод фотоэлектрической регистрации излучения. Этот метод позволяет также, используя самопросвечивание плазмы, определять спектральные коэффициенты поглощения исследуемого источника. Излучение компрессионного эрозионного плазменного потока регистрировали калиброванными фотодиодами ФД-5Г в комбинации с наборами оптических фильтров, вырезающих спектральные области 460+550 нм (ЖС16-СЗС22-СЗС25) и 745+1120 нм (СС4-СЭС20-КС13). В результате определены спектральные коэффициенты поглощения, энергия излучения, спектральная плотность энергетической яркости (СПЭЯ) излучения и яр-костная температура плазмы компрессионного потока в ТЭУ и КЭПС в зависимости от времени при различных режимах их работы. Полученные значения СПЭЯ излучения и спектральных коэффициентов поглощения позволили проследить динамику изменения температуры плазмы компрессионного потока в торцевом и комбинированном устройствах, максимальные значения которой для каждого из устройств составляют соответственно-22-Ю3 К и 40-Ю3 К.

Температуру плазмы в ТЭУ и КЭПС определяли также из экспериментов по набеганию сверхзвукового компрессионного потока на тонкий клин с острой передней кромкой. Определенная таким образом температура плазмы, с учетом возможного диапазона значений показателя политропы у (1,2 < у < 1,67), составляет для торцевого устройств (1,8+2,5)-104 К, а для комбинированной плазмодинамической системы — (3,9+5,4)'104 К. Отметим, что полученные значения температуры плазмы из экспериментов по набеганию компрессионного потока на тонкий клин находятся в хорошем соответствии с результатами измерений Т„, при фотоэлектрической регистрации излучения.

Анализ результатов комплексных экспериментальных исследований компрессионных плазменных потоков в рассматриваемых эрозионные плазмодинамических системах позволяют заключить следующее. Динамика формирования, а также физические свойства в целом, компрессионного плазменного потока определяются, в конечном счете, конфигурацией электромагнитных полей, устанавливаемой самосогласованным образом рас пределенными токами разрядной системы. В торцевом эрозионном устрой стве вместо внешней сплошной плазменной оболочки, опирающейся нг кольцевой наружный электрод, сформированы дискретные токонесущш

плазменные струи. Основной плазменный поток, формирующийся на торце внутреннего электрода, и струи, истекающие с торцов стержней внешнего электрода, сжимаются за счет взаимодействия текущих по ним токов с собственным азимутальным магнитным полем. Поскольку токи в основном компрессионном плазменном потоке и в струях, формирующихся на стержнях внешнего электрода, направлены противоположно, то электродинамическое взаимодействие между ними приводит к отклонению (отталкиванию) этих струй от компрессионного потока, вследствие чего продукты эрозии внешнего электрода не попадают в основной поток. Кроме того, по этой же причине максимум результирующего магнитного поля токов плазмодинамической системы формируется в области между компрессионным потоком и внешними плазменными струями, что не только оказывает стабилизирующее действие на основной плазменный поток, но и приводит к появлению эффекта магнитной самоизоляции разделительного диэлектрика разрядной системы.

Проведенный анализ экспериментально полученных значений основных параметров плазмы в исследуемых эрозионных плазмодинамических системах позволил сделать заключение о наличии ЛТР в компрессионном потоке на квазистационарной стадии разряда. Были рассчитаны основные интегральные характеристики компрессионного потока, такие как массовый расход ионов /м„ эквивалентный ионный ток 1г-п>, параметр обмена £,

и проведено сравнение экспериментальных результатов с данными, следующими из теоретического описания процессов в плазменных ускорителях. Показано, что рассчитанные и экспериментально измеренные значения сравниваемых параметров плазмы в ТЭУ и КЭПС не противоречат друг другу, т.е. поведение плазмы в рассматриваемых эрозионных плазмодинамических системах соответствует электродинамической теории ускорения плазмы, в том числе и теории компрессионных течений.

В шестой главе изложены результаты исследований воздействия компрессионных плазменных потоков на различные поверхности. Исследования проводили высокоскоростными фотографическим, спектроскопическим и теневым методами, а также методом фотоэлектрической регистрации излучения.

Как показывают проведенные исследования, динамика взаимодействия квазистационарных компрессионных плазменных потоков с мишенью определяется, в первую очередь, параметрами набегающего потока (скоростью и степенью сжатия потока) и практически не зависит (при прочих равных условиях) от состава плазмы. Поэтому рассмотрение динамики процессов, возникающих при воздействии компрессионного потока на неподвижную преграду, проводили на примере газоразрядного ускорителя (МПК) с энергией накопителя 30 кДж, работающего в режиме остаточного

газа (азота, представляющего наибольший интерес для практических приложений) в диапазоне давлений 133+665 Па. В этом случае за срезом внутреннего электрода формируется компрессионный плазменный поток диаметром в области максимального сжатия ~ 0,5-1 см и длиной 5-7 см. При этом скорость плазмы компрессионного потока составляет ~ 5-106 см/с.

Плоскую преграду в виде диска диаметром 12 см, изготовленного из текстолита, устанавливали перпендикулярно оси системы на расстояние ~ б см от среза внутреннего электрода. Воздействие компрессионного потока на преграду приводит к появлению у ее поверхности ударносжатого слоя плазмы, образующегося из материала преграды и заметно отличающегося по своим параметрам от плазменного потока. Плазма приповерхностного слоя растекается по поверхности преграды со скоростью ~ 106 см/с. Удар-носжатый слой плазмы резко разграничен с набегающим компрессионным потоком, причем граница испытывает заметные колебания в течение всего разряда с частотой 0,5-1 Мгц; толщина слоя при этом изменяется от 0,3 до 1,1 см. При набегании компрессионного потока на неподвижную преграду появляется отраженная ударная волна, скорость фронта которой уменьшается с ~ 106 см/с до ~ 0,5'10б см/с при увеличении начального давления воздуха (азота) в камере от 133 до 665 Па. Примерно с 45 мкс от начала тока разряда в непосредственной близости от ударносжатого приповерхностного слоя плазмы на расстоянии ~ 2 см от поверхности преграды формируется скачок уплотнения, который исчезает только с развалом компрессионного потока. Воздействие компрессионного плазменного потока на преграду приводит к заметному ее разрушению — после 30 импульсов воздействия на поверхности преграды образуется лунка диаметром 2,5 см и глубиной 0,3 см.

Определение температуры плазмы проводили по относительным ин-тенсивностям линий ионов N11 566,7; 594,0 и 594,2 нм, измеряемым по кинокадрам соответствующего участка спектра вдоль оси компрессионного потока. Концентрацию заряженных частиц измеряли по уширению спектральных линий N11 566,7; 571,0 и 594,2 нм, обусловленному квадратичным эффектом Штарка. Значение температуры в сечении, отстоящем от среза внутреннего электрода на расстояние 3 см, составляет ~ 4-104 К. Концентрация электронов в этом же сечении составляет ~ 3-Ю18 см-3.

Определение излучательных характеристик взаимодействующего с преградой компрессионного потока проводили с помощью калиброванных фотодиодов ФД-5Г в комбинации с наборами оптических фильтров, вырезающих спектральные области 460+550 нм и 745+1120 нм. В результате экспериментов определены энергия излучения, спектральная плотность

энергетической яркости и яркостная температура взаимодействующего с преградой компрессионного плазменного потока.

Проведенный комплекс исследований позволяет заключить следующее. В процессе взаимодействия компрессионного плазменного потока с неподвижной преградой образуются две взаимосвязанные, одновременно существующие в течение длительности одного разряда области плазмы, являющиеся интенсивными источниками излучения с различными яркост-ными температурами: одна — компрессионный поток (состав плазмы определяется, в основном, рабочим газом, Тя ~ 30-103 К), вторая — ударнос-жатый приповерхностный слой, состав которого преимущественно определяется материалом преграды {Тя ~ 55-103 К). Процесс взаимодействия компрессионного плазменного потока с преградой определяется самосогласованным образом динамическим напором набегающего потока и газокинетическим разлетом плазмы формирующегося ударносжатого приповерхностного слоя. Вследствие термализации кинетической энергии компрессионного потока ударносжатый слой плазмы нагревается (конвективный нагрев), что, наряду с излучением ударносжатой плазмы (радиационный нагрев), приводит к эрозии поверхностного слоя материала преграды. Параметр Кнудсена, Кп' - /Я (здесь X — длина свободного пробега ионов плазменного потока, / —размер преграды), характеризующий режим взаимодействия компрессионного потока с преградой, составляет ~ 105, что указывает на столкновительный характер образующихся ударно-волновых структур, также вызывающих физико-химические изменения поверхностного слоя преграды.

Исследования упрочняющего воздействия компрессионных плазменных потоков КСПУ П-50М на различные поверхности проводили для конкретных деталей, предоставленных БелАЗ. Исследовали воздействие плазменных потоков на обрабатываемые детали в различных режимах: под плавающим потенциалом мишени и под потенциалом анода на различных расстояниях Ь от среза внутреннего электрода при изменении начального напряжения и0 накопителя энергии КСПУ П-50М с 3 до 5 кВ как при импульсной подаче рабочего газа (азот) в ускоритель, так и в режиме остаточного газа (Р0= 133 н- 665 Па). Воздействие осуществляли как одиночным разрядом, так и серией разрядов, отстоящих во времени друг от друга на 30 - 40 сек. Число разрядов воздействия N изменяли от 2 до 10.

В результате проведенных экспериментов были выбраны два режима воздействия, отличающиеся энергией падающего плазменного потока и числом воздействующих разрядов: режимы сильного и слабого воздействия. В режиме сильного воздействия (£/„ = 5 кВ, Ь = 55 см, N = 5+10) толщина упрочненного слоя составляет 0,1+0,3 мм. Испытания обработанных

образцов на износостойкость в условиях сухого трения показали ее увеличение в 5 - 8 раз, что является следствием повышения однородности микроструктуры поверхности и ее твердости. В режиме слабого воздействия (II0 = 3,5 кВ, Ь = 55 см, .¡V = 2) толщина области упрочнения уменьшается и составляет ~ 0,08 мм. Отметим, что в режиме сильного воздействия микротвердость составляет ~ 8000 МПа, а в режиме слабого воздействия достигает ~ 9500 МПа. Указанные различия в значениях микротвердости объясняются тем, что в режиме сильного воздействия плазменный поток "сдувает" верхнюю часть расплавленного поверхностного слоя.

Установлено, что в режимах воздействия с оплавлением поверхности образуется упрочненный слой. Рентгеноструктурный анализ позволяет выявить в упрочненном слое (так же как и при лазерной обработке деталей) три зоны: слаболегированный нетравящийся оплавленный слой, нелегированный термоупрочненный слой (зона твердофазной закалки) и зона термического влияния. Микротвердость достигает максимума в первой зоне (зоне оплавления) и существенно превышает (в 5 - 6 раз) микротвердость основы стали, что связано с эффектом закалки из жидкого состояния и легированием. В области твердофазной закалки (вторая зона) зафиксированы мартенситные структуры. Именно для этой зоны характерен эффект накопления — увеличение толщины упрочненного слоя с ростом числа воздействующих импульсов малой скважности.

В режиме сильного воздействия набегающий поток "сдувает" верхнюю часть расплавленного поверхностного слоя, что является следствием слишком высокой плотности мощности компрессионного плазменного потока. Отсюда следует, что можно уменьшить плотность мощности падающего потока за счет увеличения длительности разряда. В то же время, для сохранения эффекта "накопления глубины закалки" (увеличения толщины упрочненного слоя с ростом числа воздействующих разрядов) были проведены эксперименты по получению в течение длительности одного разряда КСПУ серии импульсов, в каждом из которых формируется свой компрессионный плазменный поток. Экспериментально был получен режим работы КСПУ с общей длительностью разряда 4 миллисекунды, в течение которого формируется серия из 4 импульсов по 400 мкс каждый, отстоящих друг от друга на ~ 800 мкс. В этом случае за время одного разряда КСПУ в течение длительности каждого импульса образуется свой компрессионный плазменный поток, который успевает полностью "развалиться" к началу следующего импульса. Такой режим работы КСПУ открывает новые возможности для эффективного упрочнения поверхностей при воздействии на них компрессионных плазменных потоков.

Таким образом, проведенные исследования показали достаточно высокую эффективность использования КСПУ для упрочняющей обработки

образцов из низко- и среднеуглеродистых сталей с достаточными для практического применения глубиной (~ 0,1 -¡-0,3 мм) и микротвердостью 10000 МПа) модифицированного поверхностного слоя, позволили выявить особенности высокоэнергетического воздействия компрессионных плазменных потоков на многопрофильные поверхности, что может служить научной основой для разработки новых технологических процессов плазменного упрочнения различных деталей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам выполненной диссертационной работы можно сделать следующие выводы:

1. Разработано и создано разрядное устройство плазмогенератора на основе магнитоплазменного компрессора компактной геометрии, способное работать в качестве активных элементов (анодной и входной ионизационных камер) сложных плазмодинамических систем. 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 полуактивным катодным трансформерами, магнитная экранировка которых устанавливается самосогласованным образом разрядными токами, протекающими по стержням трансформеров. Создан диагностический комплекс, позволяющий проводить исследования квазистационарных плазменных ускорителей высокоскоростными методами фоторегистрации, спектроскопии, интерферометрии и теневой киносъемки, зондовыми методами измерения электрических и магнитных полей, а также методами фотоэлектрической регистрации излучения при постоянном контроле электрических параметров разряда [2, 7, 9, 10, 11,13, 16,22, 25].

2. В магнитоплазменном компрессоре газоразрядного типа изучена динамика формирования компрессионных плазменных потоков, измерены основные газо- и термодинамические параметры (скорость плазмы, концентрация и температура электронов плазмы в ускорительном канале и компрессионном потоке, определена его степень сжатия). Показано, что МПК компактной геометрии позволяет получать компрессионные плазменные потоки при относительно небольшом энергозапасе накопителя (~ 10 кДж), обеспечивая при этом необходимый уровень параметров плазмы в потоке (скорость потока ~ 2+7-106 см/с, концентрация электронов плазмы ~ 1016+10'7 см-3), достаточный для работы МПК-КГ в составе сложных плазмодинамических систем. Определены основные интегральные параметры компрессионного плазменного потока (массовый расход ионов, эквива-

лентный ионный ток и параметр обмена), проведено их сравнение с аналогичными параметрами, следующими из теории компрессионных течений и результатов численного моделирования; показано их хорошее соответствие [8,9,10,12,17, 27,28].

3. Для квазистационарных плазменных ускорителей с импульсной подачей рабочего газа экспериментально получен критерий, устанавливающий условия достижения максимальных параметров плазмы с относительно низким содержанием примесей при заданном уровне запасаемой в накопителе энергии в зависимости от макроскопических характеристик разряда (максимального значения разрядного тока и массового расхода рабочего вещества) [17,28, 56].

4. Экспериментально реализованы:

— компрессионный характер течения плазмы на выходе КСПУ, когда за срезом катодного трансформера формируется компрессионный плазменный поток длиной порядка 50 см и диаметром в области максимального сжатия ~ 3 см, устойчиво существующий в течение всей квазистационарной стадии разряда;

— регулярное (соответствующее расчетному) квазирадиальное распределением тока в основном ускорительном канале КСПУ в течение длительности стадии устойчивого (квазистационарного) существования разряда, обеспечивающее эффективное бездиссипативное ускорение плазмы;

— распределение тока в основном ускорительном канале КСПУ с "антискольжением", при котором значения тока у катодного трансформера "отстают" от его значений у анода, где изолинии тока практически нормально подходят к его поверхности [1, 11,16,30-32, 36].

5. Введены в рассмотрение безразмерные коэффициенты %к и Ха, показывающие соответственно отношение разности потенциалов в узком слое у поверхности катодного и анодного трансформеров к разности потенциалов между электродами (трансформерами) в целом. Показано, что по соотношению значений и у„а можно судить о характере распределения разрядного тока в канале КСПУ: при квазирадиальном распределении тока и его "скольжении" %к > а в режиме с "антискольжением" тока х« < Х*> причем Хк ПРИ "скольжении" тока для соответствующих моментов времени всегда превышает значение Хк ПРИ квазирадиальном распределении тока, а Ха при "скольжении" тока, наоборот, всегда меньше значения ха ПРИ ег0 квазирадиальном распределении. Введен в рассмотрение динамический коэффициент г]{1), определяемый как отношение локальной концентрации электронов в плазме к полному разрядному току, характеризующий степень "стационарности" исследуемого параметра. Показано, что на квазистационарной стадии разряда значения ц^) в компрессионном потоке

практически постоянны, т.е. концентрация электронов плазмы "следует" за изменением полного разрядного тока ускорителя. Выявленные закономерности позволяют существенно сократить и упростить процедуру предварительного диагностирования режимов работы ускорителя, что особенно важно при работе с мощными и сложными ускорительными плазмодина-мическими системами [1, 16, 24, 30-32,42].

6. Показано, что квазирадиальный характер распределения тока в основном ускорительном канале КСПУ устанавливается, когда £ = Распределение тока со "скольжением" реализуется, если ск > г\£,а, а распределение с "антискольжением" тока наблюдается при £ к < т^а. Здесь и ^а — параметры обмена у поверхности соответственно катодного и анодного трансформеров, т] — коэффициент потерь токонесущих ионов, связанный с конструкцией трансформеров и взаимодействием указанных ионов с плазмой в канале ускорителя [1, 16,18, 30-32].

7. Установлено, что во входной части ускорительного канала КСПУ существует некоторый характерный (граничный) диапазон значений плотности электронов, когда на квазистационарной стадии разряда наблюдают в межэлектродном промежутке близкое к радиальному распределение изолиний тока. Когда концентрация электронов выше этого диапазона, реализуется распределение тока со "скольжением", а в случае, если плотность электронов плазмы в канале становится ниже граничной, устанавливается распределение изолиний тока с "антискольжением". Выявлено, что формирование на начальной стадии разряда замкнутых токовых петель (вихрей) во входной части ускорительного канала КСПУ происходит на фоне увеличения плотности плазмы, связанного с торможением плазменного потока первой ступени на элементах катодного трансформера, и, как следствие, возрастанием здесь напряженности магнитного поля [1, 21,24,41,42, 66].

8. Предложено и создано торцевое эрозионное устройство, способное в воздухе при атмосферном давлении генерировать свободные от внешней сплошной плазменной оболочки компрессионные эрозионные плазменные потоки, состав которых определяется материалом внутреннего электрода. Предложенная и созданная комбинированная плазмодинамическая эрозионная система обеспечивает эффективный ввод энергии в компрессионный эрозионный плазменный поток и, как следствие, повышение его параметров. Показано, что течение плазмы в рассматриваемых эрозионных плаз-модинамических системах является компрессионным и, с учетом особенностей, связанных с формированием внешних токонесущих плазменных струй, описывается электродинамической теорией ускорения плазмы. Изучена динамика формирования и определены энергетические, газодинамические и излучательные характеристики компрессионных эрозионных плазменных потоков заданного состава. Проведено сравнение рассчитан-

ных и экспериментально полученных значений основных параметров плазмы, показано их хорошее соответствие [б, 14, 18, 20, 25, 51, 52, 60, 63, 67,68].

9. Исследованы особенности формирования, определены основные газодинамические, термодинамические и излучательные характеристики взаимодействующего с неподвижной преградой компрессионного плазменного потока. Установлено, что с ростом начального давления рабочего газа энергия излучения плазмы компрессионного потока имеет тенденцию к насыщению в исследованном диапазоне начальных параметров как в случае свободного истечения, так и при ограничении потока преградой. Такое поведение энергии излучения объясняется тем, что ее рост происходит, в основном, за счет возрастания площади излучающей поверхности источника. Выявлены две взаимосвязанные, одновременно существующие в течение длительности одного разряда области повышенной интенсивности свечения плазмы, являющиеся источниками излучения с различными яркостными температурами: одна — компрессионный поток (состав плазмы определяется в основном рабочим газом), вторая—ударносжатый приповерхностный слой, состав которого преимущественно определяется материалом преграды. Показано, что процесс взаимодействия компрессионного плазменного потока с преградой определяется самосогласованным образом динамическим напором набегающего потока и газокинетическим разлетом плазмы формирующегося ударносжатого приповерхностного слоя [4, 5, 16, 23,26].

10. Продемонстрирована достаточно высокая эффективность использования КСПУ для упрочняющей обработки многопрофильных деталей из низко- и среднеуглеродистых сталей с необходимыми для практического применения глубиной (~ 0,1+0,3 мм) и микротвердостыо (~ 10000 МПа) модифицированного слоя в условиях многократного воздействия на образцы компрессионного плазменного потока при реализации "эффекта накопления глубины закалки", обусловленного чередованием процессов быстрого нагрева и охлаждения поверхностного слоя материала. Экспериментально получен режим работы КСПУ с общей длительностью разряда 4 миллисекунды, в течение которого формируется серия из 4 импульсов по 400 мкс каждый, отстоящих друг от друга на ~ 800 мкс. В этом случае за время одного разряда КСПУ в течение длительности каждого импульса образуется свой компрессионный плазменный поток, который успевает полностью "развалиться" к началу следующего импульса [1, 33, 34, 38, 40, 46, 65].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. V.M.Astashynski, L.Ya.Min'ko. Physical processes in quasistationary plasma accelerators with ion current transfer // The Physics of Ionized Gases. Invited lectures of 19th Intern. Symp. on the Physics of Ionized Gases / Edited by N.Konjevic, M.Cuk and S.Djurovic. — Publisher: University of Belgrade, Yugoslavia, 1999. — P. 285-303.

2. Асташинский B.M., Баканович Г.И., Минько Л.Я. Исследование динамики плазмообразования и формирования области компрессии МПК II ЖПС. — 1980. — Т.ЗЗ, № 4. — С. 629-633.

3. Асташинский В.М., Костгокевич Е.А. Интерферометрические исследования области компрессии МПК // Физика плазмы. — 1981. — Т.7, № 3. — С. 523-528.

4. В.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Л.Я.Минько. Исследование динамики взаимодействующих с преградой компрессионных плазменных потоков // Физика плазмы. — 1984. — Т. 10, № 5. — С. 1058-1063.

5. В.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Л.Я.Минько. Излучательные характеристики компрессионных плазменных потоков в видимой и ближней инфракрасной областях // ЖПС. — 1984. — Т.40, № 4. — С. 540-545.

6. Асташинский В.М., Минько. Исследование динамики формирования эрозионного плазменного потока, генерируемого разрядным устройством торцевого типа при атмосферном давлении II Весщ Акадэмй навук БССР. Сер. ф1з.-мат. навук. — 1985. — N 4. — С. 60-63.

7. 1мпульсны плазменны паскаральшк на аснове разраднага устройства магштаплазменнага кампрэсара кампактнай геаметрьй / Л.Я.Мшько, В.М.Асташынсю, Г.1.Баканович, А.М.Кузьмина II Весщ Акадэмп навук БССР. — 1986. — №2. —С. 46-50.

8. Минько Л.Я., Асташинский В.М., Костюкевич Е.А. Исследование динамики формирования и распада компрессионного плазменного потока IIТВТ. — 1987. — Т.25, № 3. — С. 601-603.

9. Влияние характера развития разряда в МПК компактной геометрии на параметры компрессионного потока / В.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Е.А.Костюкевич, А.М.Кузьмицкий, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько//ЖПС. — 1989.— Т.50, № 6. — С. 887-891.

10. Interferometric stend with a laser source for investigation of plasma accelerators / V.M.Astashinski, E.A.Kostyukevich, A.M.Kuz'mitski, L.Ya.Min'ko II USA. 1990 SPIE Proceedings. —V.l 121. — P. 650-654.

11. Исследование процессов формирования плазменных потоков в квазистационарном сильноточном плазменном ускорителе (КС ПУ) / С.И.Ананин, В.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Е.А.Костюкевич,

A.М.Кузьмицкий, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько, А.И.Морозов // Физика плазмы. — 1990. — Т. 16, №2. — С. 186-196.

12. Интерференционно-теневые исследования процессов в магнитоплаз-менном компрессоре I В.М.Асташинский, В.В.Ефремов, Е.А.Костюкевич, А.М.Кузьмицкий, Л.Я.Минько II Физика плазмы. — 1991. — Т.17, № 9. — С. 1111-1115.

13. Спектроскопическая диагностика квазистационарного сильноточного плазменного ускорителя с использованием примесей инертных газов /

B.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Н.А.Букова, А.М.Кузьмицкий, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько II ЖПС. — 1991. — Т.55, №.2. — С. 331-333.

14. Асташинский В.М., Минько Л.Я., Маньковский A.A. Компрессия эрозионных плазменных потоков заданного состава в воздухе при атмосферном давлении // ЖПС. — 1991. — Т.55, № 6. — С. 903-905.

15. Минько Л.Я., Асташинский В.М. Высокоэнергетические квазистационарные плазменные потоки и их технологические возможности // Вакуумная техника. — 1991. — Т.1, № 2. — С. 50-55.

16. Исследование физических процессов, обусловливающих режимы работы КСПУ / В.М.Асташинский, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько, А.И.Морозов // Физика плазмы. — 1992. — Т. 18, № 1. — С. 90-98.

17. Выбор режимов работы и параметры плазмы магнитоплазменного компрессора / В.М.Асташинский, Г.И.Баканович, А.М.Кузьмицкий, Л.Я.Минько IIИФЖ. — 1992. — Т.62, № 3. — С. 386-390.

18. Минько Л.Я., Асташинский В.М. Генерация и физические свойства компрессионных плазменных потоков заданного состава // ИФЖ. — 1992. — Т.62, №5,— С. 714-716.

19. Интерферометрические и спектроскопические исследования плазменных потоков в КСПУ П-50М / В.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Е.А.Костюкевич, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько // Publications of the astronomical observatory of Belgrade. — 1996. —№ 53. — P. 55-58.

20. AcrauibiHCKi B.M., Манькоусга A.A., Мшько Л.Я. Дынамша фармавання i тэрмадынам1чныя уласщвасщ кампрэсшнай плазмавай плыш у паветры пры атмасферным цюку // Publications of the astronomical observatory of Belgrade. —1996. — № 53. — P. 59-62.

21. Анании С.И., Асташинский В.М. Структура течения плазмы в квазистационарном сильноточном плазменном ускорителе с проницаемым катодным трансформером II Физика плазмы. — 1997. — Т.23, № 1. — С. 37-40.

22. Интерференционно-теневая диагностика плазменных потоков с цифровой обработкой изображений / С.И.Ананин, В.М.Асташинский, Е.А.Костюкевич, А.А.Маньковский // Publications of the astronomical observatory of Belgrade. — 1998. — № 61. — P. 44-47.

23. Квазистационарный плазменный ускоритель компактной геометрии как источник плазмы для атомной спектроскопии / В.М.Асташинский, Л.Я.Минько, М.Чук, М.М.Кураица, Я.Пурич // Publications of the astronomical observatory of Belgrade. — 1998. — № 61. — P. 55-58.

24. Интерферометрические исследования процессов в квазистационарном сильноточном плазменном ускорителе / Ананин С. И., Асташинский В.М., Костюкевич Е.А., Маньковский А.А., Минько Л.Я. // Физика плазмы, — 1998. — Т. 24, № 11, — С. 1003-1010.

25. Асташинский В.М, Формирование компрессионных эрозионных плазменных потоков заданного состава в плотных газах // ЖПС. — 2000. Т. 67, № 2. — С. 229-233.

26. Formation and radiation dynamics of a compression plasma flows interacting with a target / L.Ya.Min'ko, S.I.Ananin, V.M.Astashinsky, G.I.Bakanovich // 17 Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Contributed Papers. — 1983, Dusseldorf. — P. 1502-1503.

27. Dynamics of low-energy compression plasma flows / L.Ya.Min'ko, S.I.Ananin, V.M.Astashinsky, G.I.Bakanovich, E.A.Kostyukevich, A.M.Kuz'mitsky II 18 Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Contributed Papers. — 1985, Budapest. — V.2. — P.966-967.

28. Generation of directed plasma flows / S.I.Ananin, V.M.Astashinsky, G.I.Bakanovich, E.A.Kostyukevich, A.M.Kuz'mitsky, A.A.Man'kovsky, L.Ya.Min'ko // XIX Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Contributed Papers. — Belgrade, 1989. — V.l. — P. 216-217.

29. A Study of the Processes of Plasma Flows Formation in a Quasi-Stationary High-Current P-50M Type Plasma Accelerator. V.M.Astashinsky, G.I.Bakanovich, N.A.Bukova, E.A.Kostyukevich, A.M.Kuz'mitsky, A.A.Man'kovsky, L.Ya.Min'ko, A.I.Morozov // XX Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Contributed Papers. — Barga, Italy, 1991. — V.4. — P. 969-970.

30. Plasmadynamic Processes in Quasi-Stationary High Current Plasma Accelerator Channel. V.M.Astashinsky, G.I.Bakanovich, N.A.Bukova, E.A.Kostyukevich, A.M.Kuz'mitsky, A.A.Man'kovsky, L.Ya.Min'ko // XI Europ. Sectional Conf. on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases. Contributed Papers. — S.-Peterburg, 1992. — V. 16. — P. 285-286.

31. 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.Man'kovsky, L.Ya.Min'ko // XXI Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Proceedings. — Bochum, 1993. — V.l. — P. 137-138.

32. Astashynski V.M., Min'ko L.Ya. Quasi-Stationary High-Current Plasma Accelerators and Generated by them Compression Plasma Flows // 18 Summer School and Int. Symp. on the Physics of Ionized Gases. Contributed Papers. Post-deadline Papers. — Novi Sad, Yugoslavia, 1996. — P. 1-4.

33. Studies of the High-Energy Plasma Flows Action of the Quasi-Stationary High-Current Plasma Accelerators on Metal Surfaces. V.M.Astashynski, E.A.Kostyukevich, A.A.Man'kovsky, L.Ya.Min'ko, Yu.A.Chivel // 18 Summer School and Int. Symp. on Physics of Ionized Gases. Contributed Papers. Post-deadline Papers. — Novi Sad, Yugoslavia, 1996. — P. 5-7.

34. Квазистационарный сильноточный плазменный ускоритель (КСПУ) многоцелевого назначения / С.И.Ананин, В.М.Асташинский, Е.А.Костюкевич, Л.Я.Минько // Материалы межд. семинара "Конверсия научных исследований в Беларуси в рамках деятельности МНТЦ". — Минск, 1999. — Т.2. — С. 174-177.

35. Интерференционно-теневые методы диагностики плазменных потоков с визуализацией поля и цифровой обработкой изображений / С.И.Ананин, В.М.Асташинский, Е.А.Костюкевич, Л.Я.Минько II Материалы межд. семинара "Конверсия научных исследований в Беларуси в рамках деятельности МНТЦ". — Минск, 1999. — Т.2. — С. 227-230.

36. Astashynski V.M. Formation of compression plasma flow (plasma focus) in two-stage quasi-stationary high-current plasma accelerator // 24 Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Proceedings. — 1999, Warsaw, Poland. — V.2. — P. 69-70.

37. Plasma parameters of compression flow (plasma focus) in two-stage quasi-stationary high-current plasma accelerator / S.I.Ananin, V.M.Astashynski, E.A.Kostyukevich, A.A.Man'kovski, L.Ya.Min'ko // 24 In. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Proceedings. — 1999, Warsaw, Poland. — V.2. — P. 35-36.

38. The action of compression plasma flow generated by two-stage quasi-stationary high-current plasma accelerator (QHPA) on multi-profile surfaces / S.I.Ananin, V.M.Astashynski, E.A.Kostyukevich, A.A.Man'kovski, L.Ya.Min'ko, Yu.A.Chivel // 24 Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Proceedings. — 1999, Warsaw, Poland. — V.1. — P. 103-104.

39. Интерферометрическая диагностика крупномасштабных плазменных образований / С.И.Ананин, В.М.Асгашинский, Е.А.Костюкевич, А.А.Маньковский // Материалы конференции "Физика и техника плазмы". — Минск, 1994. — Т.1. — С. 336-340.

40. Применение плазменных потоков квазистационарного сильноточного плазменного ускорителя для упрочнения многопрофильных поверхностей различного состава / В.М.Асташинский, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько Ю.А.Чивель // Материалы конференции "Физика и техника плазмы". — Минск, 1994. — Т.2. — С. 343-345.

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

42. Термодинамические параметры плазмы компрессионного потока квазистационарного сильноточного плазменного ускорителя / В.М.Асташинский, Е.А.Костюкевич, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько // Материалы конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-98. — Петрозаводск: Изд-во Петрозаводского университета, 1998. — Т.1. — С. 84-87.

43. Interferometric bench for investigation of plasma acceleration / V.M.Astashynski, E.A.Kostyukevich, A.M.Kuz'mitski, L.Ya.Min'ko II "Interferometry-89". — Warsaw, 1989. —P. 100.

44. Упрочнение стали импульсным плазменным потоком / В.М.Асташинский, В.А.Ладанов, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько, Ю.В.Мухин, Ю.А.Чивель // Межд. научн.-техн. конф. "Износостойкость машин". — Брянск, 1994. — Т.2.— С.78.

45. The peculiarities of metal surface modification produced by pulsed plasma flows / V.M.Astashynski, L.Ya.Min'ko, Yu.V.Mukhin, Yu.A.Chivel II 24 Int. Electric Propulsion Conf. Summary of the Abstracts of the Papers. — Moscow, Russia, 1995. — P. 279.

46. Упрочняющее воздействие высокоэнергетических квазистационарных плазменных потоков на металлические поверхности / В.М.Асташин-

ский, Л.Л.Минько, Е.А.Костюкевич, А.А.Маньковский, Ю.В.Мухин, Ю.А.Чивель II Евразийское физическое общество. Межд. конференция "Физпром-96". — Голицино, Московская обл., 1996. — С. 89-90.

47. Astashynski V.M., Min'ko L.Ya. Physical processes in quasistationary plasma accelerators with ion current transfer// 19 Summer School and Int. Symp. on the Physics of Ionized Gases. Contributed Papers. — Belgrade, Yugoslavia, 1998, —P. 307.

48. Экспериментальное исследование и численное моделирование физических процессов в МПК компактной геометрии / Л.Л.Минько, С.И.Ананин, В.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Е.А.Костюкевич, А.М.Кузьмицкий // VI Всес. конф. по плазменным ускорителям и ионным инжекторам: Тез. докл.—Днепропетровск, 1986. — С. 176-177.

49. Интерферометрические исследования компрессионного потока магни-топлазменного компрессора / В.М.Асташинский, Е.А.Костюкевич,

A.М.Кузьмицкий, Л.Л.Минько II 13 Всес. научн.-технич. конф. "Высокоскоростная фотография, фогоника и метрология быстропроте-кающих процессов": Тез. докл. — М., 1987. — С. 160.

50. Динамика излучающих компрессионных плазменных потоков / Л.Л.Минько, С.И.Ананин, В.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Е.А.Костюкевич, А.М.Кузьмицкий, А.А.Маньковский II VI Всес. конф. "Динамика излучающего газа": Тез. докл. — М., 1987. — С. 22-23.

51. Асташинский В.М., Маньковский A.A., Минько Л.Л. Излучение компрессионных эрозионных плазменных потоков в воздухе при атмосферном давлении // 6 Всес. конф. "Динамика излучающего газа": Тез. докл. — М., 1987. —С. 24-25

52. Минько Л.Л., Асташинский В.М., Маньковский A.A. Исследование ра-диационно-плазмодинамических процессов в компрессионных эрозионных плазменных потоках //1 Всес. симп. по радиационной плазмоди-намике. Тез. докл. — М., 1989. — Т. 1. — С. 37-38.

53. Минько Л.Я., Асташинский В.М., Маньковский A.A. Взаимодействие компрессионных эрозионных плазменных потоков с твердотельными поверхностями II Республ. конф. "Радиационная физика твердого тела": Тез. докл. — Минск, 1989. — С. 114-115.

54. Экспериментальные исследования и численное моделирование плазмо-динамических процессов в квазистационарном сильноточном плазменном ускорителе / А.И.Морозов, Л.Л.Минько, С.И.Ананин

B.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Е.А.Костюкевич, А.М.Кузьмицкий

A.А.Маньковский //VII Всес. конф. по плазменным ускорителям и ионным инжекторам: Тез. докл. — Харьков, 1989. — С. 39-40.

55. Минько Л.Я., Асташинский В.М., Маньковский А.А. Характер течения плазмы и выноса тока в КСПУ типа П-50 // VII Всес. конф. по плазменным ускорителям и ионным инжекторам: Тез. докл. — Харьков, 1989. — С. 51-52.

56. Асташинский В.М., Косттокевич Е.А., Кузьмицкий A.M. Влияние подачи газа на режим работы магнитоплазменного компрессора // VII Всес. конф. по плазменным ускорителям и ионным инжекторам: Тез. докл. — Харьков, 1989. —С. 185-186.

57. Интерференционно-теневые исследования физических процессов в канале магнитоплазменного компрессора / В.М.Асташинский, Е.А.Костюкевич, А.М.Кузьмицкий, Л.Я.Минько // 14 Всес. научно-технич. конф. "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов": Тез. докл. — М., 1989. — С. 90.

58. Спектроскопическая диагностика квазистационар кого сильноточного плазменного ускорителя с использованием примесей инертных газов /

B.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Н.А.Букова, А.М.Кузьмицкий, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько // V Всес. совещание по диагностике высокотемпературной плазмы: Тез. докл. — Минск, 1990. — С. 242-243.

59. Динамика компрессионных плазменных потоков в квазистационарном сильноточном плазменном ускорителе (КСПУ) типа П-50М / Л.Я.Минько, В.М.Асташинский, А.А.Маньковский, Г.И.Баканович, Е.А.Костюкевич, А.М.Кузьмицкий, Н.А.Букова IIII Всес. симп. по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. — М.: МГТУ, 1991. — Т.З. —

C. 51-52.

60. Минько Л.Я., Асташинский В.М. Получение и исследование компрессионных эрозионных плазменных потоков в воздухе атмосферного давления // II Всес. симп. по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. — М., 1991, —Т.1. —С. 67-69.

61. Особенности формирования и свойства плазменных образований в газоразрядной двухступенчатой плазмодинамической системе / Л.Я.Минько, В.М.Асташинский, Г.И.Баканович, Н.А.Букова, Е.А.Костюкевич, А.М.Кузьмицкий, А.А.Маньковский // Физика низкотемпературной плазмы. Материалы VIII Всес. конф. — Минск, 1991. — Т.2. — С. 91-92.

62. Воздействие плазменных потоков квазистационарного сильноточного плазменного ускорителя на поверхности I Л.Я.Минько, В.М.Аста-

шинский, Е.А.Костюкевич, А.А.Маньковский, Ю.А.Чивель // III меж-госуд. симп. по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. — М., 1994. — С. 66-67.

63. Излучательные свойства плазменных потоков, генерируемых эрозионной комбинированной плазмодинамической системой / В.М.Асташинский, Н.А.Мамытов, А.А.Маньковский, Л.Я.Минько // Материалы конф. "Физика низкотемпературной плазмы". — Петрозаводск, 1995. — Т.1. — С. 98-99.

64. Минько Л.Я., Асташинский В.М. / Радиационно-плазмодинамические процессы в квазистационарном плазменном ускорителе КСПУ П-50М // IV межгосуд. симп, по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. — М., 1997. — С. 36-37.

65. Плазмодинамические аспекты высокоэнергетического воздействия компрессионных плазменных потоков КСПУ на поверхности / Л.Я.Минько, В.М.Асташинский, Е.А.Костюкевич, А.А.Маньковский, КХА.Чивель II IV межгосуд. симп. по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. —М„ 1997. — С. 134-135.

66. Исследование термодинамических параметров плазменного потока КСПУ П-50М I Л.Я.Минько, С.И.Ананин, В.М.Асташинский, Е.А.Костюкевич, А.А.Маньковский // IV межгосуд. симп. по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. — М., 1997. — С. 152-153.

67. A.C. 915772 СССР, МКИ3 Н05Н 1/24. Устройство торцевого типа для получения эрозионных плазменных струй / Л.Я.Минько, В.М.Аста-шинский (СССР). — № 2810911/18-25; Заявлено 22.08.79; Опубл. 1982, Бюл. № 38 // Открытия. Изобретения. — 1982. — № 38. — С. 301.

68. A.C. 1565333 СССР, МКИ5 Н05Н 1/24. Устройство торцевого типа для получения эрозионных плазменных струй / Л.Я.Минько, В.М.Асташинский (СССР). — № 4147268/31-25; Заявлено 14.11.86; Опубл. 1992, Бюл. № 6 II Открытия. Изобретения. — 1992. — № 6. — С. 252.

РЭЗЮМЕ. Асташынсм Валяпщн М1ронавич. Плазмадына\лчныя працэсы i дынамжа кaмпpэciйныx плазмавых плыняу у квазктацыянарных плазмавых паскаральшках.

Ключавыя словы: квазктацыянарны плазмавы паскаральшк, кампрэ-с1йная плазмавая плынь, размеркаванне электрычных { магштных палёу, кваз1радыяльнае размеркаванне току, плазмавае умацаванне.

Прыведзены вынш комплексных эксперыментальных даследаванняу высокахуткасным! фотарэпстрацыйным!, спектраскашчным1, ¡нтэрферэн-цыйна-ценевым1 I зондавым1 метадам! кваз1стацыянарных плазмадына-\пчных кампрэсшна-паскаральных сыстэм, яюя дазваляюць генерыраваць кампрзайныя ллазмавыя плыш зададзенага складу (газаразрадныя I эразшныя) у шырок1М дыяпазоне ¡х параметрау у розных умовах ¡гавакольнага асяроддзя (вакуум, газы пры пашжаным 1 атмасферным щеку). Усталяваны крытэрыяльныя заканамернасщ, ягая дазваляюць выз-начаць аптымальныя рэжымы работы 1 юраваць параметрам! квазштацыя-нарных плазмавых паскаральншау.

Разв1ты уяуленш аб вызначальным уплыве абменных працэсау у паскаральным канале двухступеньчатага квазктацыянарнага моцнатока-вага плазмавага паскаральн>л<а (КМПП) на характар размеркавання току, ¡, таюм чынам, цячэнне плазмы у такой сыстэме. Эксперыментальна атрыманы кваз1радыяльнае (адпаведнае разлковаму) размеркаванне току у асноупым паскаральным канале КМПП на працягу стадьп устойл1вага (квазктацыянарнага) ¡снавання разраду, якое забяспечвае эфектыунае бсздысшатыунае паскарэнне плазмы, а таксама размеркаванне току з "антыаизганнем", пры яюм значэнш току каля катоднага трансформера (электрода) "спазняюцца" адносна яго значэнню каля анода, дзе ¡залши току нармальна падыходаяць да яго паверхш.

Прапанаваны 1 даследаваны эразшныя плазмадынам!чныя сыстэмы, яюя дазволш упершыню атрымаць кампрэсшныя эразшныя плазмавыя пльпп зададзенага складу, яю вызначаецца матэрыялам унутранага электрода, у паветры пры атмасферным щеку.

Паказана дастаткова высокая эфектыунасць выкарыстання КМПП для умацняючага апрацавання дэталяу з газка- 1 еярэдневугляродзктых сталяу з пеабходным! для практычнага выкарыстання таушчынёй (~ 0,1 + 0,3 мм) 1 мшрацвёрдасцьцю 10000 МПа) мадыфшаванага паверхневага слою.

РЕЗЮМЕ. Асташинский Валентин Миронович. Плазмодинамиче-ские процессы и динамика компрессионных потоков в квазистационарных плазменных ускорителях.

Ключевые слова: квазистационарный плазменный ускоритель, компрессионный плазменный поток, распределение электрических и магнитных полей, квазирадиальное распределение тока, плазменное упрочнение.

Представлены результаты комплексных экспериментальных исследований высокоскоростными фоторегистрационными, спектроскопическими, интерференционно-теневыми и зондовыми методами квазистационарных плазмодинамических компрессионно-ускорительных систем, способных генерировать компрессионные плазменные потоки заданного состава (газоразрядные и эрозионные) в широком диапазоне их параметров в различных условиях окружающей среды (вакуум, газы при пониженном и атмосферном давлении). Установлены критериальные закономерности, позволяющие определять оптимальные режимы работы и управлять параметрами квазистационарных плазменных ускорителей.

Развиты представления об определяющем влиянии обменных процессов в ускорительном канале двухступенчатого квазистационарного сильноточного плазменного ускорителя (КСПУ) на характер распределения тока, и, следовательно, течение плазмы в такой системе. Экспериментально получены квазирадиальное (соответствующее расчетному) распределение тока в основном ускорительном канале КСПУ в течение длительности стадии устойчивого (квазистационарного) существования разряда, обеспечивающее эффективное бездиссипативное ускорение плазмы, а также распределение тока с "антискольжением", при котором значения тока у катодного трансформера (электрода) "отстают" от его значений у анода, где изолинии тока практически нормально подходят к его поверхности.

Предложены и исследованы эрозионные плазмодинамические системы, позволившие впервые получить компрессионные эрозионные плазменные потоки заданного состава, определяемого материалом внутреннего электрода, в воздухе при атмосферном давлении.

Показана достаточно высокая эффективность использования КСПУ для упрочняющей обработки образцов из низко- и среднеуглеродистых сталей с необходимыми для практического применения глубиной (~ 0,1+0,3 мм) и микротвердостью (~ 10000 МПа) модифицированного поверхностного слоя.

ABSTRACT. Astashynski Valiantsin Mironavich. Plasmadynamic Processes and Dynamics of Compression Plasma Flows in Quasistationary Plasma Accelerators.

Key words: quasistationary plasma accelerator, compression plasma flow, distribution of electrical and magnetic fields, quasiradial current distribution, plasma hardening.

The results of complex experimental investigations of quasistationary plasmadynamic compression-accelerating systems capable to generate compression plasma flows of a specified composition (gas-discharge and erosive) in a broad range of their parameters in various environmental conditions (vacuum, gases at reduced and atmospheric pressure), obtained by high-speed photoregistration, spectroscopic, shadow-interferometric and probe methods are presented. The criterial regularities enabling determination of optimum operational modes and control of the parameters of quasistationary plasma accelerators are derived.

The concepts as to determinative influence of exchange processes in the accelerating channel of the two-stage quasistationary high-current plasma accelerator (QHPA) on a character of a current distribution, and, therefore, plasma flow in such a system are advanced. Experimentally obtained are a quasiradial current distribution (agreeing with the calculated one) in the QHPA main accelerating channel during a stage of steady (quasistationary) existence of a discharge, ensuring an effective nondissipative plasma acceleration, as well as a current distribution with "antislippage", such that the current values at a cathode converter (electrode) "lag behind" those at the anode, where isolines of a current are practically normal to its surface.

Proposed and investigated are the erosive plasmadynamic systems making it possible to obtain for the first time the compression erosive plasma flows of a specified composition defined by a material of an inner electrode, in air at atmospheric pressure.

A sufficiently high effectiveness of the QHPA application for hardening of low- and medium-carbon steel samples providing necessary for practical purposes depth (~ 0,1-0,3 mm) and microhardness (~ 10000 MPa) of a modified surface layer is shown.