Ускорение слабоионизованной плазмы до больших скоростей с повышенным энергосодержанием
, магистр естественных наук
, магистр естественных наук
Петропавловский колледж железнодорожного транспорта
г. Петропавловск, Казахстан
В последние десятилетия активно развиваются плазменные технологии, связанные практическим осуществлением взаимодействия слабоионизованного плазменного потока с поверхностью материалов с целью улучшения их эксплуатационных свойств. При реализации такого проекта приходится решать проблему ускорения слабоионизованной плазмы до больших скоростей с повышенным энергосодержанием, а также необходимость удержания плазмы в ускорителе от распада.
В статье: «Модель формирования и ускорения слабоионизованной плазмы в КПУ(коаксиальный плазменный ускоритель) со сплошным наполнением рабочего газа.», было уделено внимание проблеме возможного распад плазмы, при ускорении в камере с очень низким давлением близким к абсолютному вакууму., данная статья посвящена поиску решения проблемы ускорение слабоионизованной плазмы до больших скоростей с повышенным энергосодержанием.
Данная проблема актуальна для такой отрасли как металлообработка. Так как плазменную обработку металлов (процесс обработки материалов при помощи плазмы с целью изменения физических или химических свойств поверхности обрабатываемого объекта.), отличает высокое качество, технологическая простота, экономическая эффективность, экологическая безопасность и много других параметров от других методов металлообработки. Для повышения данных показателей требуется повышение «качества» плазмы по различным параметрам одним из которых является – энергосодержание плазмы.
Особо актуально стоит вопрос в обработке и выборе материалов в проектировании новых типов реакторов и создании термоядерного реактора. Т. к. материалы элементов конструкции различных термоядерных реакторов и плазменных ускорителей находятся под воздействием экстремально высоких потоков плазмы, тепла, заряженных частиц и нейтронов.
Эти обстоятельства выводят задачи поиска и создания материалов для элементов конструкции будущих реакторов в разряд ключевых на сегодняшний день.
Одной из серьезнейших задач является вопрос о материале стенок, взаимодействующих с потоками плазмы. Стенки должны принимать потоки энергии и частиц. В замкнутых магнитных конфигурациях вся энергия выходит через стенку, и только в ловушках открытого типа есть варианты с прямой конверсией термоядерной мощности в электрическую, например, проекты открытых ловушек с вращающейся неидеальной плазмой [1].
Для поиска решения этих проблем предлагается построить и проанализировать модель формирования и ускорения слабоионизованной плазмы в коаксиальном плазменном ускорителе со сплошным наполнением рабочего газа, схема которого изображена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Ускоритель со сплошным наполнением рабочего газа
В основе предлагаемой модели лежит идея ионизации газа методом инжекции, используемого в токамаках. В предложенной модели на уровне электродной системы монтируется затвор в виде клапана. Таким образом, получаются две камеры, которые подключены к форвакуумному насосу. В камере, где размещена электродная система, подводится система подачи рабочего газа (гелий, аргон). Источником запасаемой энергии служит конденсаторная батарея общей емкостью C=75 мкФ и номинальным напряжением 50 кВ, в качестве коммутирующего элемента может использоваться ртутный разрядник ИРТ-6. Электродная система представляет собой два медных электрода цилиндрической геометрии разделенных между собой слоем изолятора. Электродная система помещается в вакуумную камеру изготовленную из оргстекла. Работа системы подачи рабочего газа, затвор и конденсаторная батарея работают синфазно. Для этого используются синхронизатор, который автоматически выставляет время задержки между подачей газа в камеру, процессом ионизации газа, разрядом конденсаторной батареи и отпиранием клапана.
Рассмотрим принцип работы такого ускорителя: откачиваем обе вакуумные камеры до давления p=10-5 мм. рт. ст., заряжаем до напряжения U=15-20 кВ. С помощью игольчатого натикателя напускаем газ в первую камеру до давления p=10-3 мм. рт. ст. при котором автоматически происходит разряд конденсаторной батареи через объем газа и образуется слабоионизованная плазма. В момент пробоя газа автоматически открывается клапан разделяющий обе камеры и образовавшийся плазменный сгусток ускоряется к выходу ускорителя. При этом слабоионизованная плазма получает дополнительное ускорение за счет разности давления первой и второй камер. В случае когда разряд пройдет по воздуху необходимо использовать разрядную ловушку. Значение токов проходящих через плазму можно определить используя пояс Роговского, а напряжение можно измерять с помощью емкостного делителя напряжения, давление вакуумной камеры контролируется вакуумметром. [2].
Предлагаем математическое описание процессов формирования и ускорения слабоионизованной плазмы в рамках электродинамической модели.
Уравнение разрядной цепи ускорителя запишется в виде:
, (1)
где
. (2)
С учётом (13), формула (12) запишется в виде:
. (3)
В случае малого затухания имеем:
. (4)
По закону сохранения энергии для цепи контура имеем:
, (5)
где 
– полная энергия, запасаемая в конденсаторе, 
– кинетическая энергия движения плазмы, 
– джоулево тепло, 
– энергия конденсатора, вследствие неполной разрядки.
В модели предполагается, что вследствие кратковременного взаимодействия плазмы со стенками плазмопровода джоулевым теплом можно пренебречь, будем считать, что конденсаторная батарея полностью разрядилась и энергия разряженного конденсатора будет равна нулю. С учётом сделанных допущений получим конечное выражение для скорости плазмы:
, (6)
, (7)
, (8)
. (9)
Графиком данной функции будет экспонента. На рисунке 18 показан график зависимости скорости плазменного потока от времени при следующих параметрах: напряжение 30 кВ, емкость конденсаторной батареи 1,5нФ, масса рабочего газа 1 кг, индуктивность цепи 0,5 мГн, сопротивление контура 100 Ом.
Рисунок 2 – График зависимости скорости плазменного потока от времени
Как видно на графике, скорость плазменного потока достаточно резко возрастает и достигает своего максимального значения.
Подробный анализ полученной зависимости с целью определения параметров, которые определяют максимальную скорость плазменного потока в коаксиальном ускорителе, будет проведен в следующих публикациях.
