Разработка и исследование компактного квазистационарного сильноточного плазменного ускорителя тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

я ордена Трудового Красного Зганени государственный технический университет имени Н. Э. Баумана

На правах рукописи УДК 621.039.533.07

Ыншанов Анатолий Викторович

РАЗРАБОТКА Й ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПАКТНОГО КВАЗЙСТАЦИШАРН0Г0 СИЛЬНОТОЧНОГО ПЛАЗМЕННОГО УСКОРИТЕЛЯ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соиекавие ученой степени кандидата технических наук

Косква - 1993

Работа юшмшеяа в Иоса;с.искш ордог-а. Л'аьнш, Октябрьской Ревашоции и ордо.иа Трудорого Гласного & государственном техническом университете «¡.кг, л: II. 3. Еаупаш

Паучник руководитель: доктор технических наук, нлхм^соор

ХВЕСЗОК В. И.

0£йииаиьше оппоненты: доктор технических ьа/к, нра.^ееар

ТИХОНОВ 1'.. в. кандидат гохни'и-л-лйа »«ук, о. и. о. ПЕТРОООВ 1.5. л.

Ведущая организация: Икс ктут физик)! Л!! .р/ек

Защита состоится 1593 гола и /</ с 'часов и-*,

ааседании спедакишаьроглнгюго Сопета 1С 053.15. 03 в Ноояоии.ол государственном техническом унаноронтеус и.чецц И. О, Шумана ю адресу:107005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5

С днссертгчией можно ознакомиться в библиотека НГТУ. Автореферат разослан 1991 г.

Учений секретарь специализированного Совета к. т. н., доцент

._____^ отстаю,]?.

Подписано к начат.? )Э. а'. 93 Тир. 100 икз. Обмм I п. л. Заказ 297 Тядографяя МП7 им. Н.Э. Баумана

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Создаете шлщнх ускорителей плазмн, способных генерировать потоки рабочего, вещества со средними направленными энергиями, составлявшими единица кэВ, удельными мощностями в десятки МВт/см2 при длительности генерации в несколько мс, является одной из важных проблем физики плазмн и плазмодннамики. Плазменные потоки о такими параметрами могут найти применение в термоядерных исследованиях (например, для моделирования процессов на первой отенке термоядерного реактора-токамака в условиях срыва тока), при создании оиотем накачки мощных лазеров, в космических исследованиях, а также в различных технологических приложениях (азотирование, поверхностная закалка s т.п.),

Наиболее близкие к вышеперечисленным параметрам характеристики имеет плазма, генерируемая импульсными плазменными ускорителями (С.Д. Гришин, A.B. Лесков, ЕП. Козлов. Плазменные ускорители. - М.: Машиностроение, 1983. - 231 о.). Но в работе (A.A. Поротников. Плазменные ускорители. - М.: Мапшздат, 1973. -105 о. 3 было показано, что для получения плазменных потоков с подобиями характеристиками, используя традиционные ИПУ, возникает ряд серьезных трудностей, связанных о организацией плазменных процессов в ускорительном канале.

Так, было обнаружено, что при увеличении мощности разряда ИПУ возникает анональное явление "приалодпого скольжения тока". Его суть состоит в своеобразной автоизоляцни анода, связанной с обеднением прианодной зоны ионами и возникновением вблизи анода больного скачка потенциала, что, в конечном итоге, приводит к. возникновению токов выноса и сильной эрозии анода (А. И. Морозов, А. К. Виноградова. Стационарные коипресиошше течения// Физика и применение плазменных ускорителей/ Под ред. А. И. Морозова. Минск: Наука и техника, 1974. - С, 72 - 102).

Кроме того, в экспериментальных исследованиях мопцгнх плазменных ускорителей с эквипотенциальными сплошннми алектродами была обнаружена неустойчивость зоны ионизации, причем двух типов:

вращательная и продольно-колебательная СП. Е. Ковров, А.П. Шубин. Сильноточный коаксиальный плазменный ускоритель в квазистационарном режиме// Физика и применение плазыечных ускорителей/ Под ред. А. И. Морозова. - Минск: Наука и техника, 1974. - С. 103 -141.1. Данные неустойчивости приводят к сильным колебательным процессам в плазме, уненшамциы эффективность . ее ускорения.

Как показывает анализ протекания плазменных процессов в ускорительном канапе, проведенный А. И. Морозовым (А. И, Морозов, Л. С. Соловьев. Стационарное течение плазмы в магнитном ■ поле //Вопросы теории плазмы. Вып. 8/ Под ред. М.А. Леонтовича. - М.: Госатомиздат, 1974. - С. 3 - 873, избежать возникновение эффекта "прианодного скольжения тока" и неустойчивости зоны ионизации можно в результате перехода ускорителя на двухступенчатую работу и реализации в ускорительном канале ионного токопереноса. Для этого в качестве. пе. вой ступени используется . вводной ионизационный блок, (ВИЮ, где осуществляется создание и предварительный разгон плазмы, что повышает эффективность ее ускорения в основной ступени, а также препятствует возникновению зоны ионизации. Реализация ионного токопереноса может быть возможна лишь при использовании специальных систем:

- анодного трансформера (Та), обеспечивающего эмиссию ионов из плазмы, необходимую для переноса тока в ускорительном канале, а дня формирования плазменной, эмиттиругацей поверхность СЛЕШ используются специальная магнитная система и генераторы плазмы -анодные ионизационные камеры САИК);

- катодного трансформера (Тк) о магнитным экранированием элементов конструкции, необходимого дня безэрозионного приема шсокоонергетячннх ионов и обеспечения их эффективной рекомбинации.

Ускорители подобного класса получили название: коаксиальный сильноточный плазменный ускоритель (КС31У), идея и основные физические принципы которого были сформулированы А. И. Морозовым СА. И. Морозов. Принципы коаксиальных СквазиЗстадаонарных плазменных ускорителей СШЮ//Физикл плазмы - 1990.-Т. 16,вып. 2.-С. 131-146).

В данной работе разработана концепция компактного КСПУ, где впервые использован активный анодный трансфо.мер в-типа и осесимметричный входной ионизационный блок. Проведены исследования генерации и динамики течения плазмы в продольном азимутальной магнитном поле. Разработана и изготовлена полномасштабная модель компактного КСПУ, на которой получета первые интегральные электрические характеристики.

Цели работы.

1. Разработка концепции создания КСПУ компактной геометрии с активным анодным трансфорыером е-типа.

2. Изучение динамики плазменных процессов в трактах е-Та:

- исследование влияния внешнего продольного магнитного поля на характеристика АИК и параметры генерируемой плазмы;

- исследование динамики течения плазмы в криволинейном магнитном канале вдоль ■ азимутального магнитного поля, 'моделирующего собственное поле основного разряда.'

3. Разработка принципиально новой конструкции к изготовление полномасштабной модели осесиыметрячвого ШБ. Проведение експерименталъных исследований электрических характеристик и параметров генерируемой плазмы при наличии и отсутствия внешнего азимутального магнитного поля, создаваемого током, протекающим через катодный тралофорыер.

4. Разработка конструкции и изготовление активного анодного трансфорыера е-типа, где для формирования плазменной вмиттирумцей поверхности впервые используется собственное азимутальное магнитное поле основного разряда Сдополнительные магнитные ' системы отсутствуют 3, а анодные ионизационные камер! размещаются непосредственно в ускорительном канале.

. б. Компоновка основных блоков компактного КСПУ: ЕИБ, Тк и е-Та. Изготовление полномасштабной модели. Проведение экспериментальных исследований интегральных электрических характеристик.

Научная новизна работы.

I. Впервые изучено влияние внешнего продольного магнитного ноля, величиной до 0.5 Тл, на вольт-амперную характеристику, токи

з

выноса и приэлектроднне падения потенциала в коаксиальном плазменном ускорителе (работающем на водороде), где разрядные токи составляли 8... 14 кА при длительности импульса 100... 500 икс. Полученные результаты доказали возможность размещения АИК непосредственно в магнитную конфигурацию е-Та.

2. Впервые исследовала динамика течения плотной (о концентрацией порядка 1С?4 см 3), частично намагниченной Со^т^ » I и т. < I) водородной плазмы в криволинейном магнитном канале, вдоль азимутального магнитного поля с индукцией до 0.3 Тл. Получешше результаты позволяют найти оптимальные значения параметров плазменного потока, магнитного поля и конструкции транспортирующего канала, когда потери плазмы минимальны Снепыпе 20%).

3. Впервые разработан, изготовлен и исследован БИВ "кольцевого" типа, которнй позвволяет форынровть однородные по азимуту кольцевые квазиотационарные плазменные потоки, что дает возможность исключить из традиционной охены КСПУ дрейфовый канал.

4. Впервые разработана и изготовлена модель активного е-Та, где формирование ПШ проиоходит за счет собственного азимутального магнитного поля Тк, а АИК расположены непосредственна в зоне ускорительного канала в четырех секциях (по два в каждой секции), работающих независимо друг от друга.

5. На основе проведенных экспериментов и разработанных устройств ШБ п е-Та, изготовлена и испытала полномасштабная модель компактного КСПУ, впервне получены интегральные электрические характеристики, подтверждающие наличие в ускорительном канале электродинамического механизма ускорения.

Практическая ценность работы. -

I. Найдены оптина; ьные режимы генерации и транспортировки плотной плазмы в криволинейных магнитных каналах с углом поворота 90°, где потери составляют не более 20%. Данные результат« могут быть полезны при проектировании систем формирования и очистки плазменных потоков от различных примесей (в том числе капельной фазы), для термоядерных устройств, а также многих технологических установок, например в магтшостроении и микроэлектронике.

2. Разработанный компактный КСПУ в первую очередь (конечно, при увеличении "анерговшгада в оснсзной разряд) может быть иоглльзовап в термоядерных исследованиях как инжектор гшазнн дпя заполнения магнитных ловушек. Кроме того, имея на выходе, уже на сегодняшний день, плазменный поток с удельной мощностыо в десятки . МВт/см2, данный ускоритель может найти широкое применение для моделирования процессов на первой стенке термоядерного реактора-токомака в условиях срыва тока. Большой интерес представляет также использование зоны компрессии компактного КШУ в качестве мощного источника коротковолнового излучения (добавляя в ускоряемый водородный поток дозированные количества примесей тех или иных тяжелых элементов, можно будет получить из области компрессии излучение соответствующих параметров). Инея неболшие геометрические и массовые характеристики, в сочетании о возможностью получить плазменные потоки о высоким энергосодержанием (в десятки кДж), данный ускоритель ножет использоваться в космических исследованиях (например, дпя моделирования взаимодействия летательных аппаратов с мощными потоками заряженных частиц). И, наконец, болшой интерес представляет использование компактного КСПУ в технологии: азотирование поверхности, модифицирование поверхностного слоя изделий за очет поверхностной закалки, амортизации я т.п. Немаловажную роль о использовании данного устройства в технологических приложениях ножет сыграть относительная (в сравнении о существующими моделями) простота конструкции в сочетании с высокой надежностью основных функциональных блоков, что в итоге снижает себестоимость в его изготовлении и обслуживании.

На защиту выносятся:

- сравнительный анализ различных концептуальных схем КОТУ, выбор базовой схемы; .

- эксперименталышй о-енд для испытания КШУ и его основных узлов: состав, основные параметр!, принцип работа:

- результата исследований работа коаксиального плазменного ускорителя и характеристик генерируемых им плазменных потоков во

внешнем продольном магнитном поле;

- экспериментальные результаты течения плазмы в криволинейном магнитном канале, при отсутствии в наличии касгшш плазмы с металлической стенкой;

- конструкция и результаты экспериментальных исследований ШВ с кольцевой геометрией электродов;

- исследование течения плазмы в модели секции е-Та: описание конструкции специального двухканального АИК и модели секции, экспериментальные результаты;

- конструкция е-Та;

- конструкция полномасштабной модели компактного КШУ, результаты предварительных иопнтаний.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы бшш представлены к докладах VI Всесоюзной конференции по новой технике СХарьков, 1987 г. ), VII Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям и иошшм инжекторам (Харьков, 1988 г. ), XI Всесоюзной конференции зю генераторам низкотемпературной плазмы (Новосибирск, 1989г. Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальна наук" (Москва, 1991 г.), а -шске на научных семинарах в ХФТИ СХарьков, 1989 г. ), ИТФ СО АН (Новосибирск, 1990 г. ), ИАЭ им. Курчатова, ТИШИТИ и МВТУ им. Баумана Шооква, 1988 - 1991 гг.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и обьен работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав о выводами, заключения и библиографического описка из 63 наименований. Она содержит 118 страниц текста и 73 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, кратко рассмотрено состояние исследований по созданию КШУ. На основе публикаций экспериментальных и теоретических исследований существующих полномасштабных моделей КШУ проведен выбор

б

оптимальной схемы КСПУ, поставлена цели н задачи исследований. Кратко изложено содержание глав диссертации, сформулированы положения, определякщие новизну и практическую ' ценность полученных результатов, перечислены положения, которне выносятся на защиту.

В первой главе приведено описание экспериментальной установки, предназначенной для испытаний КСПУ а его элементов. Представлен состав и основные характеристики вакуумной системы, системы газоснабжения, системы алектропитания и синхронизации с общим энергозапасом в 100 кДж, а также системы диагностики.

Во второй главе рассматривается работа коаксиального нлазненного ускорителя с профилированным центральным электродом (АИК) в продольном магнитном поле. Приведены конструкции исследуемых ускорителей и магнитных систем, а также их основные параметры. Изучено влияние, оказываемое внешним продольным полем на' интегральные электрические характеристик! разряда АПК, проанализировано качественное изменение протегания плазменшге процессов в разрядном промежутке н на выходе ускорителя.

Так, было об' гружено, что наложение внешнего продольного магнитного поля о индукцией до 0.3 Тл на АИК приводит к тому, что у плазменного потока внутри разрядного промежутка появляется азимутальная составляющая скорости. Сдвижение плазмы приобретает спиралеобразный характер). Вместе о этим наблюдается уменьшение прианодпого падения потенциала о 70 до 5 В, что, вероятно, является одной из причин наблюдаемого унеишевия токов выноса (более 30% от разрядного тока). При этом на выходе ускорителя образуется расфокусированный бестоковый плазменный поток, движущийся вдоль нагннтных силовых линий.

Показано, что АИК при работе во внешнем магнитном поле обеспечивает необходимые параметры плазмы для формирования плазменной эмиттирущей поверхности. При отсутствии токов выноса удается снизить воздействие собственных магнитных полей ускорителя на магнитную конфигурацию транспортной системы е-Та.

В третьей гла^е представлены результата экспериментальных исследований транспортировки плотной частично замагннчешюй

т .

плазмы в криволинейном магнитном канале, имеющем топологию в

величину магнитного поля, сходную с е-Та. Приведены результаты

исследований динамики течения плазмы в "чистом" (без контакта со

стенками) азимутальном магнитном поле, а та'-же при наличии

металлической стенки, находящейся под разными потенциалами. В

частности, зондовые измерения распределения концентрации поперек

канала (вдоль радиуса) во входном и выходном сечениях, а также

фоторегистрация течения плазмы позволили найти наиболее

оптимальные оочетания характеристик инжектируемой плазмы и

магнитного поля, при которых достигается наиболее эффективная

транспортировка. Дня оценок этой величины использовалооь значение

интегрального коэффициента однородности распределения

концентрации плазмы вдоль канала из выражения:

т*

пХ "ВНХ*1-5'^ К »---

пЭ гз '

„X ПвдСгЭ-йг

где: пвьк(г) и пвхСгЭ - локальные значения концентраций плазмы на входе и на выходе магнитного канала, г, - радиус внутренней 1,раницц канала, г, - радиус металлической пластины, расположенной по внешнему обводу струн. Значения коэффициента К0 для различных случаев течения плазмы приведены на рис. I. Показано, что вставленная внутрь магнитного канала металлическая пластина оказывает существенное воздействие на течение плазмы. На основе проведенных экспериментов найдено оптимальное значение азимутального магнитного поля (0.15... 0.2 Тл) в криволинейном магнитном канале с металлической стенкой, при котором происходит наиболее эффективная транспортировка плазменного потока (Кд * 0.8) и одновременно сохраняется довольно хороший контакт плазмы со стенкой.

В четвертой главе рассмотрена схема и приведена конструкция принципиально новой модели компактного КСПУ, в котором впервые используется активный анодный трансформер в-типа (где плазменная эмиттируотцая поверхность формируется за счет собственного азимутального поля Тк, а АИК расположены непосредственно в зоне ускорительного канала) и осесиыметричный ВИЕ. Приведено подробное описание всех элементов компактного КСПУ и экспериментальные

в

результата их испытаний. Показана довольно высокая эффективность и надежность работы всех узлов и устройств.

Приведены результаты исследования компактпого КОТ? с активным е-Та. Показана устойчивая синхронная работа всех блоков КОТУ. Получены его ооновные электрические характеристики (рис. 2). Показано, что ВАХ разряда основной ступени аппроксимируется степенной зависимости« ир - I2'аз, что почти вплотную приближается к теоретической, где ир - I*. Это указывает на наличие в ускорительном канале электродинамического механизма ускорения плазмы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОШ

1. Впервые разработана схема, создан и испытан компактный КШУ с ВШЗ кольцевого типа и активным четырехсекционннм о-Та.

2. Создан экспериментальный стенд для испытания КОТУ и его элементов, включающий вакуумную систему, систему газоснабжения, блок электропитания с системой синхронизации, а также систему диагностики.

3. Изучена работа АИК во внешнем продольном магнитном поле. Покачано, что, внешнее магнитное поле уменьшает эффект "скольжения" тока вдоль анода. В результате скитаются нрианодннй скачок потенциала и токи внн< ;а. Эксперименты однозначно указывают на возможность нсыецения АИК в магнитную конфигурацию 0-Та, что позволяет сделать более компактной конструкцию последнего и увеличивает эффективность использования генерируемой АИК анодной плазмы.

4. Найдены и реализованы методы транспортировки плотной частично замагниченной плазмы вдоль азимутального магнитного поля. Обнаружено, что расположенная по внешнему обводу потока плазмы металлическая стенка, находящаяся под "плавамцин" потенциалом, существенно повышает эффективность транспортировки. Показана возможность формирования плазменной эыиттнрукщей поверхности только за счет собственного магнитного поля КШУ, что намног упродает конструкцию и удешевляет создание активного

е-Та, при сохранении его мощностных характеристик.

5. Впервые в первой ступени Ш1У используется ускоритель о кольцевой геометрией электродов, генерирующий на входе в ускорительный канал равномерный по азимуту поток плазмы. Это позволяет исключить из схемы КСПУ дрейфовый канал и сделать КСПУ более компшстннн при сохранении его мощностных характеристик.

6. Получены интегральные электрические характеристики компактного КСПУ. Обнаружено хорошее соответствие экспериментальной ВАХ с теоретической.

7. Основываясь на результатах проведенных экспериментов создан КСПУ, обладающий следующими преимуществами:

а) осесимметричная оистема ВИБ;

б) наличие активного.е-Та, в котором:

- инжекция плазмы осуществляется вдоль силовых линий магнитного поля;

- ПЯ1 формируется в собственном магнитном поле КОТУ;

- конструкция АИК обеспечивает осесинметричность ПЭД и возможность регулирования распределения концентрации шгазмн Ca значит, и плотности эмиттируемого ионного тока) вдоль продольной координаты.

Реализованные усовершенствования обеспечивают компактность, дешевизну, надежность и удобство данной конструкции КСПУ для различных применений (в тон числе технологических).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. A.M. Зимин, E.H. Мастюков, А.В. Мишанов. Транспортировка плазны в криволинейных магнитных каналах// Плазменные энергетические установки. - И.: МВТУ, 1968. - С. 68 - 82.

2. E.H. Мастюкив, A.B. Мишанов, В.И. Хвесняс. Изучение транспортировки плазиы в криволинейных магнитных полях// Тезисы докладов vii-ой Всесоюзной конф. по; плазменным ускорителям и ионным инжекторам. - Харьков: .. - 1989. - С. 45 - .46. •

3. E.H. Мастюков, A.B. Мишанов, В.И. Хвесюк. .Процессы формирования плазмы анодного ß-трансформерз// Тезисы докладов vii-ой Всесоюзной колф. по плазменным ускорителям и ионным ик»екторал. - Харьков: 1989. - С. 41 - 42.

ю

4. Е. Н. Мастаков, А. В. Нишанов, В. И. Хвеснж. Влияние продольного магнитного поля на процессы в импульсном генераторе плазмы// Тезисы докладов XI Всесоюзной конф. по генераторам низкотемпературной плазмы. - Новосибирск: 1989. - С. 135 -136.

К*

Рис. 1. Зависимость коэффициента однородности распределены концентрации плазмы К «дол» канала, прг наличии и отсутствии металлической пластины (пластина располагалась по внешнему обводу плазменной струи)

Д - пластина имеет "плавающий" потенциал + - пластика "заземлена" ' - пластина отсутствует

'Op, kB l.S

0.9

o.a -

Fue. 2.

ч

• I"

и

____L--i

/

/\ ! I

' I

Y

/ ?

7

Trunin i il i'i tTrr."frrnTrrrrt-n-rrrrvrr¡

i 30 80 30 120

lp, кЛ

DAS основного КСПУ:

л- Up 0.25*10" *IÎJ5 *- Up = 0.25*10 *ГИ

О - ЗЛХ основного штатной pe-át-cie

разряда компактного

разряда а

и