Введение к работе
Актуальность темы. Проблема управляемого термоядерного синтеза, тотребности космической и лазерной техники, а также современной технологии стимулируют развитие методов получения высокоэнергетических направленных 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 шазменных 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 інутреннего электрода формируется компрессионный поток, параметры шазмы в котором существенно выше, чем в межэлектродном промежутке. тля получения компрессионных потоков используют газоразрядные и зро-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 'Пределенного предела в своем развитии, поскольку практически исчерпа-:ы пути повышения параметров плазмы, генерируемой такими системами. Іозтому дальнейшее развитие плазменных ускорительных систем связано исследованиями нового квазистационарного сильноточного плазменного скорителя (КСПУ), физические принципы которого предложены професором А.И.Морозовым.
КСПУ, в отличие от существовавших ранее ускорителей, представля-г собой двухступенчатую плазмодинамическую систему с магнитной зк-анировкой элементов ускорительного канала, образованного проницае-ыми трансформерами (электродами), работающую в режиме ионного то-опереноса. В такой системе реализуется ионно-дрейфовое ускорение за-агниченной 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 Ъоперация 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 НАН Беларуси и \ ститут молекулярной и атомной физики, ИМАФ НАН Беларуси), ХФ". (ныне ННЦ "Харьковский физико-технический институт", Украина), I ститут прикладной математики им. М.В.Келдыша (Россия), ЛФТИ і 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 моделирої ниє процессов в КСПУ подтвердили справедливость физических прині пов, положенных в его основу (определяющую роль ионного токоперер са, эффект магнитной экранировки конструктивных элементов собстве 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 і стоящее время типы ускорителей плазмы.
Плазменные потоки, генерируемые КСПУ, представляют интерес только для фундаментальных исследований течения замагниченной пл; мы в электромагнитных полях различной конфигурации, но и для решен ряда задач управляемого термоядерного синтеза (инжекция плазмы в pi личного рода ловушки, проблема первой стенки термоядерного реакторе др.), доя 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 р; работки новых технологий плазменного упрочнения. Первые экспериме ты по упрочняющей обработке поверхностей конкретных деталей из ні ко- и средиеуглеродистых сталей, выполненные в рамках задания Мин стерства промышленности Республики Беларусь, продемонстрирова.
остаточно высокую эффективность воздействия плазменных потоков ІСПУ 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-16 от 26.11.87 г.;
в рамках Государственных (Республиканских) комплексных прозами фундаментальных исследований в области естественных наук:
"Разработка способов получения и исследования плазмы, исследова-яе ее свойств, использование плазмы для научных и технологических це-;й" на 1982-1986 г.г. ("Плазма", утверждена Постановлением № 194 Пре-щиума АН 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 ізличньїх условиях существования с целью повышения эффективности іергетических 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 Ілазмодинамика 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-
славней, подписанной 27 ноября 1998 года в Минске (пункт 5, разде "Физика").
Целью настоящей работы является разработка и создание квазисті 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 понижеі 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 контролї 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 зпасаемой 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 = V%a- Распределение тока со жольжением" реализуется, если 4 > Ч&, а режим с " антискольжением" іблюдают при 4 < 74- Здесь 4 и 4 — параметры обмена соответственно поверхности катодного и анодного трансформеров, rj — коэффициент этерь токонесущих ионов, связанный с конструкцией трансформеров и іаимодействием указанных ионов с плазмой в канале ускорителя.
Введены в рассмотрение безразмерные коэффициенты %к и Za> 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-гношенюо значений %к и Ха можно судить о характере распределения раз-[дного тока в канале КСПУ: при квазирадиальном распределении тока и о "скольжении" Хк > Ха> а в режиме с "антискольжением" тока %к < %а, шчем.^ при "скольжении" тока для соответствующих моментов времени егда превышает значение х*. ПРИ квазирадиальном распределении тока, а при "скольжении" тока, наоборот, всегда меньше значения ха ПРИ ег0 іазирадиальном распределении. Введен в рассмотрение динамический ко-)фициент T](t), определяемый как отношение локальной концентрации ектронов в плазме к полному разрядному току, характеризующий степь "стационарности" исследуемого параметра. Показано, что на квази-ационарной стадии разряда значения rj(t) в компрессионном потоке
практически постоянны, т.е. концентрация электронов плазмы "следует" з изменением полного разрядного тока ускорителя.
Установлено, что существует некоторый характерный (граничныр 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 сплошної плазменной оболочки компрессионные эрозионные плазменные поток: заданного состава, определяемого материалом внутреннего электрода Комбинированная плазмодинамическая система обеспечивает эффектив 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 — ударносжатьп 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 плаз
менных 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 плот
ных 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-5енности воздействия таких потоков на различные многопрофильные по-іерхности, что может служить научной основой разработки новых плаз-іенньїх технологий упрочнения деталей машин.
Полученные новые научные результаты позволяют сформулировать ледующие основные положения, выносимые на защиту:
І. В одноступенчатых квазистационарных плазменных ускорителях с імпульсной подачей рабочего газа максимальные скорость плазмы и сте-іень 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.
-
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 = т]%а (4 и 4 — параметры обмена соответственно у поверхности ка тодного и анодного траисформеров (электродов), rj — коэффициент потері токонесущих ионов, связанный с конструкцией траисформеров и взаимо действием указанных ионов с плазмой в канале ускорителя); распределени тока со "скольжением", при котором получают максимальную концентра цию электронов плазмы, реализуется, если 4 > rja, а "антискольжение: тока, обеспечивающее максимальную степень сжатия компрессионного по тока, наблюдают при 4 < ?/&
-
Установленная связь между соотношением введенных безразмер ных коэффициентов Хк и Ха> характеризующих распределение потенциал; вблизи катодного и анодного траисформеров, 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 %к 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 (~ ОДч-0,3 мм) и микротвердостыо (~ І0000 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 НАН 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 ях 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; їохум, Германия, 1993; Варшава, Польша, 1999), XI Европейской конфе->енции по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (Санкт-Іетербург, Россия, 1992), XVIII и XIX Международных симпозиумах по зизике ионизованных газов (Нови Сад, Югославия, 1996; Белград, Юго-
славия, 1998), VI Всесоюзной конференции "Динамика излучающего газа! (Москва, 1987), VII Всесоюзной конференции по плазменным ycкopитeля^ 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 j 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 o6bej диссертации составляет 250 страниц, в том числе 85 иллюстраций на 8 страницах и список использованных источников из 255 наименований н 23 страницах.
