Введение к работе
Актуальность темы. Получение высокоэнергетических плазменных потоков в ускорителях является одной из важнейших задач плазмодинамики. Эднако в традиционных квззистационарных плазменных ускорителях сущест-їуют принпипиальные трудности, связанные с приэлектродными скачками по-генциала и неустойчивостью зоны ионизации, которые не позволяют реаяизо-satb значения параметров плазмы, следующие из теоретического рассмотре-шя физических процессов в таких системах.
Дальнейшее развитие плазменных ускорителей связано с разработанны-га профессором А.И.Морозовым физическими принципами нового ква-истапионарного сильноточного плазменного ускорителя (КСПУ), позволившего преодолеть отмеченные выше трудности. Высокие значения параметров [лазмы, следующие из теоретического рассмотрения процессов в КСПУ, сти-гулнровали разработку и создание таких плазмолинамических систем. Для еализации проекта КСПУ в начале 80-х годов в СССР была создана Коопера-ия ведущих научных организаций в области плазменных ускорителей, куда ошпи ИАЭ им. И.В.Курчатова (ныне РНЦ "Курчатовский институт', Россия) его филиал в г.Троипке (ныне Троицкий институт инновационных и термо-гсерных исследований, ТРИНИТИ, Россия), Институт физики Академии наук ССР (ныне Институт физики, ИФ НАН Беларуси и Институт молекулярной и томной физики, ИМАФ НАН Беларуси), ХФТИ (ныне ННЦ "Харьковский фи-іко-технический институт", Украина), Институт прикладной математики им. [.В.Келдьппа (Россия), ЛФТИ им. А.Ф.Иоффе (Россия), Московский авиаци-шый институт (МАИ) им. С.Орджоникидзе (Россия), Московский государст-:нный технологический университет (Ml ТУ) им. Н.Э.Баумана (Россия) и др.
Интерес к такого рода плазмодинамическим системам связан с возможен их применением в решении задач управляемого термоядерного синтеза нжекция плазмы в различного рода ловугаки, проблема первой стенки термо-(ерного реактора), в плазменной технологии, например для обработки по-рхностей крупногабаритных деталей, а также для создания высокоинтенсив-гх источников излучения, в том числе в коротковолновой области спектра.
Первые экспериментальные исследования и численное моделирование оцессов в КСПУ подтвердили справедливость физических принципов, поло-яных в его основу (определяющую роль ионного токопереноса, эффект маг-тной экранировки конструктивных элементов собственными токами) и рабо-гпособность двухступенчатой схемы ускорения, а также показали возмож-
иость получения в квазистациошрном режиме высокоэнергетических комлре сиошшх плазмешшх потоков с направлешіой скоростью более 10 см/с. Уя сегодня КСПУ, не имеющий аналогов в мире, по совокупности своих харакг ристик превосходит все имеющиеся в настоящее время типы ускорител< плазмы.
В КСПУ реализуется ионно-дрейфовое ускорение замагниченной пла мы, что открывает пришпнпкшьно новые возможности для фундаменталып. исследований динамики плазмы, в том числе в электромагнитных полях слоз ной конфигурации. Кроме того, первые эксперименты по воздействию пла менных потоков КСПУ на металлические поверхности показали, что такі системы представляют значительный интерес при разработке новых упро няющих плазменных технологий для крупного машиностроения, что являет особенно актуальным для Беларуси.
Связь работы с крупными научными программами. Диссертационная р бота выполнялась в Институте физики АН БССР, а затем в Институте молек лярной и атомной физики НАН Беларуси в рамках Всесоюзных программ ] реализации проекта КСПУ в соответствии с Постановлением Президиума А СССР, ГКАЭ и Минвуза СССР N 164 от 29.11.82 г., Постановлением ГКТ СССР N 396 от 26.07.83 г., Постановлением Президиума АН СССР, ГКАЭ Минвуза СССР N ГУ-226 от 26.11.87 г., в рамках республиканских програв "Плазма 2.22", "Плазма 3.07", "Плазмодинамика 09", по хоздоговорам с И/ им.И.В.Курчатова N 626 от 3.02.84 г., N 724 от 11.04.86 г., N 824 от 1.04.88, 902 от 1.03.90 г., по Заданию Министерства промышленности Республики I ларусь, в рамках договора N 230-93.
Целью настоящей работы является разработка и создание двухступен1 того квазистационарного сильноточного плазменного ускорителя (КСПУ) ти П-50М со стержневыми пассивным анодным и полуактивным катодні трансформерами (электродами), магнитная экранировка которых устанавлш ется самосогласованным образом разрядными токами, протекающими стержням трансформеров, и экспериментальные исследования магнитоплазх динамических процессов в канале ускорителя и динамики плазменных паї ков, а также их параметров.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Реализован компрессионный режим течения плазмы на выходе КСПУ.
Впервые экспериментально получен режим работы КСПУ, характе{ зующийся радиальным распределением тока в канале в течение всей квазис ционарной стадии разряда, и режим, имеющий распределение тока "с ан-скольжением", при котором значения тока у катодного трансформера "о тают" от его значений у анода, где изолинии тока практически нормально ж ходят к его поверхности.
Показано» что квазирадиальный характер распределения тока в канале скорятеля устанавливается при равенстве локальпых параметров обмена в [риповерхностных областях анодного и катодного трансформеров (электродов). Распределение тока со "скольжением" устанавливается, если параметр )бмена в прикатодной области больше этого параметра в прианодной, а режим ; "антискольжением" - когда параметр обмена у катода меньше указанного па->аметра у анода.
Установлено, что во входной части ускорительного канала КСТТУ существует некоторый характерный (граничный) диапазон значений плотности шектронов, при котором на квазистационарной стадии разряда устанавливает-;я квазирадиальное распределение изолиний тока. Когда концентрация элек-гронов выше этого диапазона, реализуется распределение тока со "скольжени-;м", а в случае, когда плотность электронов плазмы в капале становится ниже раннчной, наблюдается распределение изолиний тока с "антискольжением".
Установлено, что максимальные значения концентрации электронов и тгепени сжатия компрессионного потока реализуются в КСПУ, когда в его ка-іале устанавливается распределение тока "со скольжением" вдоль поверхности сатодного трансформера, а максимальные значения скорости плазмы - при ква-іирадиальном распределении тока.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что в результате проведенных исследований установлены новые закономерности плазмо-щнамики, позволяющие управлять распределением тока в ускорительных сис-гемах и определяющие поведение и параметры плазменных потоков. Получен-тые результаты представляют интерес для разработки плазменных упрочняющее технологий на основе воздействия высокознергетических компрессион-тых плазменных потоков КСПУ на металлические поверхности и керамиче-жие покрытия.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Двухступенчатый квазистационарный сильноточный плазменный ускоритель (КСПУ) со стержневыми пассивным анодным и полуактивным катодным трансформерами, магнитная экранировка которых устанавливается самосогласованным образом разрядными токами, протекающими по стержням грансформеров, генерирует компрессионные плазменные потоки с ранее непостижимыми параметрами: длина ~ 50 см, диаметр в области максимального ;жатия ~ 3 см, время существования ~ 200 мке, скорость — (1 - 2)107 см/с, температура- Ю-15эВ, концентрация электронов - до 10!7 см"3.
-
Режимы работы КСПУ — от ускорительного до компрессионного зависят от пространственно-времеїшой структуры изолиний тока (квази; дальной, "со скольжением" и "с антискольжением") в основном ускорительп канале и устанавливаются посредством согласоваїгия локальных параметр обмена у поверхностей анодного и катодного трансформеров (электродов).
-
Скорость компрессионного потока, концентрация заряженных част и температура плазмы определяются характером распределения плотное плазмы и разрядного тока в основном ускорительном канале КСПУ.
Диссертационная работа отражает личный вклад соискателя в исследос ния, выполненные в ИМАФ НАН Беларуси по изучению квазистационарні плазменных ускорителей. Научным руководителям ЛЛ.Миш>ко В.М.Асташинскому принадлежит постановка задач исследований, анализ и о суждение полученных результатов. Г.И.Баканович принимала участие в пров дении спектроскопических исследований, Е.А.Костюкевич - в проведении и терферометрических исследований и обсуждеюш их результате А.М.Кузьмицкий - в исследованиях входных ионизационных камер, а также спектроскопических исследованиях плазмы КСПУ.
Апробация результатов диссертации. Результаты исследований до ладывались на XIX, XX, XXI Международных конференциях по явлениям ионизованных газах (Белград, 1989; Пиза, 1991; Бохум,1993), XI Европейск< конференции по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (Санк Петербург, 1992), XVHI Международном симпозиуме по физике ионизованяь газов (Новый Сад, Югославия, 1996), VI Всесоюзной конференции "Динами излучающего газа" (Москва, 1987), VII Всесоюзной конференции по плазм ным ускорителям и ионным инжекторам (Харьков, 1989), V Всесоюзном сов щании по диагностике высокотемпературной плазмы (Минск, 1990), П, Ш, I Всесоюзных симпозиумах по радиационной плазмодинамике (Москва, 199 1994, 1997), конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Мине 1991, Петрозаводск, 1998), международной конференции "Физика и техниі плазмы" (Минск, 1994), международной конференции "Физика плазмы и пла менные технологии" (Минск, 1997)
Результаты диссертационной работы опубликованы в 4 статьях в нау1 ных журналах, в 6 статьях в материалах международных конференций, в статьях в научных сборниках и материалах конференций, в 6 тезисах доклада конфе-решщй. Общий объем опубликованных материалов составляет 67 стр; ниц в 19 работах.
Сіруктура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, о( щей характеристики работы, четырех глав и заключепия. Общий объем диссер
5 ации составляет 123 страницы, в том числе 40 рисунков па 40 страницах и ;писок использованных источников из 152 наименований на 14 страницах.
Похожие диссертации на Магнитоплазмодинамические процессы в канале двухступенчатого квазистационарного плазменного ускорителя и их влияние на свойства плазменных потоков
