ЭЛЕМЕНТЫ ВИРТУАЛЬНОГО ПЛАЗМЕННОГО УСКОРИТЕЛЯ В
МОДЕЛИРУЮЩЕЙ СРЕДЕ STRATUM
, к. ф.-м. н., , м. т.н.,
СКГУ им. академика М. Козыбаева
Аннотация. В данной работе была предпринята попытка смоделировать
процесс ускорения плазменного потока в импульсном коаксиальном ускорителе со сплошным наполнением рабочего газа, используя для этого моделирующую среду Stratum. Анализ и проектирование в среде STRATUM. позволяют за короткое время создать прототип будущей системы и осуществить моделирование процессов, законов функционирования, свойств и состояний объектов.
Ключевые слова: компьютерная модель, модель, Stratum, DLL, газ, процесс, ускоритель, коаксильный плазменный ускоритель.
Для адекватной визуализации реальных процессов ускорения плазменных потоков в коаксиальных плазменных ускорителях (КПУ) необходимо разработать физическую модель ускорителя, которая описывала бы происходящие в них процессы. Согласно [1], модель – это такой мысленно представляемый информационный объект, который в процессе исследования соответствует объекту-оригиналу, обладая его отличительными информационными свойствами то есть характеризует отношения между элементами изучаемого объекта и других объектов физической реальности. Модель может быть реализована на любом физическом носителе, в частности в компьютерной программе.
Компьютерная модель [1, 2] – это есть некоторое программное обеспечение, в которой реализуется информационную модель отдельной системы. Компьютерные модели стали составным элементом численно-математического моделирования и широко применяются в физике, астрофизике, при решении задач прикладного характера, являются источником получения новых знаний о моделируемом объекте.
В данной работе приводится разработка основных элементов виртуального плазменного ускорителя созданные в среде моделирования STRATUM. Работа является актуальной, так как реальный эксперимент в плазменных ускорителях в силу его непредсказуемости, финансовых и физических препятствий, можно заменить компьютерной моделью.
Анализ и проектирование в среде STRATUM. позволяют за короткое время создать прототип будущей системы и осуществить моделирование процессов, законов функционирования, свойств и состояний объектов. В Stratum возможно создание новых функций непосредственно в среде или
подключение стандартных библиотек функций DLL, написанных на различных языках программирования.
Средства среды Stratum позволяют автоматически преобразовывать математическую модель объекта в исполняемый код с контролем синтаксических и логических правил, с возможностью отладки системы в динамическом и пошаговом режимах, записи текущего состояния системы и его загрузка.
В данной работе была предпринята попытка смоделировать процесс ускорения плазменного потока в импульсном коаксиальном ускорителе со сплошным наполнением рабочего газа, используя для этого моделирующую среду Stratum.
Преимущества данного ускорителя перед другими типами ускорителей в том, что ускорение происходит в газе, а не в вакууме, то есть, нет необходимости создавать вакуум большого порядка, также вследствие того, что газ в камере ускорителя распределен равномерно при пробое межэлектродного пространства «сгорает» не весь газ, находящийся в камере, а лишь та его часть, которая находится в зоне рождения и продвижения плазмы [3].
После пробоя газ, оставшийся в камере, вновь равномерно распределяется по всему пространству камеры, естественно с меньшей плотностью. Далее, установившийся в равновесии газ можно снова пробивать электрическим током, получая очередной плазменный сгусток на выходе из ускорителя. Пробивать газ бесконечное количество раз невозможно, так как его концентрация с каждым «выстрелом» резко уменьшается и, следовательно, растет напряжение, которое необходимо приложить к электродам чтобы «пробить» его.
Работу ускорителя со сплошным наполнением рабочего газа можно разбить на несколько фаз:
1) Напуск рабочего газа, с последующим его равномерным распределением по всему объему ускорителя, рабочим газам может быть водород, дейтерий, аргон или другой инертный газ.
2) Пробой межэлектродного пространства электрическим током высокого напряжения, получаемого от конденсаторной батареи.
3) Образование плазменного сгустка в средней части межэлектродного пространства.
4) Захват и ускорение газа распределенного по длине ускорителя.
5) Схлопывание плазменного кольца.
Каждая фаза ускорения была смоделирована в среде Stratum.
Моделирующая среда STRATUM, является относительно упрощенным решением с ограниченным функционалом, однако позволяющим создать простейшие модели коаксиальных плазменных ускорителей а также смоделировать процессы формирования и ускорения плазменных пучков.
В среде Stratum была разработана двумерная модель (рис.1) коаксиального плазменного ускорителя со сплошным наполнением рабочего газа.
Рисунок 1. 2D модель коаксиального плазменного ускорителя в среде Stratum
Как известно, весь процесс ускорения плазменного сгустка можно разбить на составные части, каждая из которых соответствует определенному состоянию плазмы. Все эти этапы были смоделированы в среде Stratum.
Процесс образования плазмы. Начальной фазе ускорения соответствует образование плазменного сгустка в средней части межэлектродного зазора (рис 2.).
Рисунок 2. Образование плазменного сгустка в средней части коаксиального плазменного ускорителя (внешний цилиндр не показан)
Когда плазменное кольцо достигает края центрального электрода силы инерции и магнитные силы продолжают действовать и вытягивающийся плазменный шнур принимает форму фонтана или цветка (рис. 3), закрепленного стебельком на торцевой части внутреннего электрода.
Рисунок 3. Выделение форсгустка из основной плазменной массы.
Далее следует процесс схлопывания плазменного кольца, после чего происходит торможение плазмы за счет неизбежных соударений с посторонними молекулами также на неѐ действуют гравитационные и магнитные поля, которые тормозят еѐ. В результате плазма распадается на куски, которые уменьшаются и теряют скорость до тех пор, пока все не исчезнут. Этот процесс показан на рисунках, приведенных ниже:
Рисунок 4. Распад плазмы
Таким образом, в моделирующей среде Stratumбыли смоделированы основные элементы плазменного ускорителя и процессы ускорения плазменных сгустков.
Библиографический список
1. Основы компьютерного моделирования. Частное научно-исследовательское учреждение по внедрению новых технологий BourabaiResearch http:///cm/1.htm
2. Красов В. И., Кринберг И. А., Паперный В. Л. Компьютерные технологии в физике. Часть 1. Компьютерное моделирование физических процессов: Учебное пособие - Иркутск: ИГУ, 2006.
3. Усеинов Б. М., Шаяхметов Т. С., Возможности компьютерных программ для визуализации процессов ускорения плазменных потоков в коаксиальных плазменных ускорителях. Материалы международной научно-практической конференции «Козыбаевские чтения-2014: роль Казахстана в интеграции Евразийского пространства», Петропавловск, 2014 г., с.33-36.
, доцент кафедры «Физика», Северо-Казахстанский государственный университет им. академика М. Козыбаева (Республика Казахстан, г. Петропавловск)
Трапезников Е. В., магистр технических наук, преподаватель кафедры
«Информационные системы», Северо-Казахстанский государственный университет им. академика М. Козыбаева (Республика Казахстан, г. Петропавловск)
, студентка, Северо-Казахстанский государственный университет им. академика М. Козыбаева (Республика Казахстан, г. Петропавловск)
Адрес для переписки:
*****@***com, *****@***ru,
*****@***ru
