Физика/3. Физика плазмы и плазменная техника

 

Усеинов Б.М., Трапезников Е.В.

Северо-Казахстанский государственный университиет им. М. Козыбаева, Петропавловск, Республика Казахстан

Исследование процессов формирования и ускорения  плазменного потока в среде Stratum

В последние годы быстрыми темпами развивается одно из важнейших направлений - направление прикладных физических исследований, связанное с практическим осуществлением  взаимодействия плазменного потока с поверхностью материалов с целью изменения  их конструкционных свойств. Реализация такого проекта сопряжена с решением целого ряда физических задач, одной из которых является проблема формирования и ускорения плазменного потока. В настоящее время существуют различные типы плазменных ускорителей: ускорители с импульсным напуском газа, квазистационарные ускорители, ускорители со сложным наполнением плазмообразующего газа. Все они являются источниками плазменных сгустков различной скорости, температуры и других параметров. Ускорители с импульсным напуском газа и квазистационарные ускорители изучены довольно подробно и нашли свое применение в промышленности. А вот ускорители со сложным наполнением плазмообразующего газа изучены не достаточно полно.

В данной работе приводятся результаты исследования процессов ускорения плазменного потока, формируемого в ИКУ (импульсный коаксиальный ускоритель) со сплошным наполнением рабочего газа в среде Stratum и методами компьютерного моделирования.

В  работе рассматривалась модель процесса ускорения плазменного потока в импульсном коаксиальном ускорителе со сплошным наполнением рабочего газа с использованием моделирующей среды Stratum и проанализированы возможности его использования для для других импульсных процессов. 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.

 


Рисунок 1.  Напуск рабочего газа в камеру ускорителя.

2.                    

Пробой межэлектродного пространства электрическим током высокого напряжения получаемого от конденсаторной батареи.

Рисунок 2. Пробой межэлектродного пространства с образованием плазменного сгустка с образованием плазменного сгустка в средней части межэлектродного пространства

3.                     Образование плазменного сгустка в средней части межэлектродного пространства.

4.                    

Захват и ускорение газа распределенного по длине ускорителя.


Рисунок 3. Захват и ускорение плазмой газа распределенного по длине ускорителя.

5.                     Схлопывание плазменного кольца.

Рисунок 4. Схлопывание плазменного кольца.

Каждая фаза ускорения была смоделирована нами в среде Stratum. Для описания процесса ускорения плазменного потока использовалась обобщенная модель, которая учитывает механизм взаимодействия плазменного пучка с нейтральным газом. Данная модель отличается от известных в литературе интегральной и электродинамической модели двумя дополнительными уравнениями, ответственными за процессы взаимодействия плазменного пучка с газом и балансом энергии.

Рассмотрим частный случай расчета скорости плазменного потока, основываясь на следующих приближениях: массу сгустка считать постоянной, не зависящей ни от координаты, ни от времени; индуктивность цепи в любой момент времени постоянная и равна сумме паразитной индуктивности и индуктивности коаксиальных электродов.

Из уравнения цепи разряда следует, что  

                                                                                  (1)

 где R – сопротивление контура, С – ёмкость конденсатора.

Граничные условия соответствуют состоянию ускорителя в момент коммутации разрядников, то есть t=0, q=CU.

Поделив (1) на L, получим :

                                                                      (2)

При  γ<ω  имеем решение (2) вида:

q=q0e-γt                                                                                                     (3)

Процесс ускорения описывается уравнением:

                                                                          (4)            

где граничные условия: t=0, z=0, dz / dt=0, d2z / dt2=0.

Подставив (1) в (2) и проинтегрировав, получим выражение для скорости:

                                                                          (5)

Расчет скорости плазменного потока для ускорителя МК-200 скорости v=1,6*107 см/с, что соответствует среднему значению скоростей из интервала [107 – 4*107см/с], полученных экспериментально. Для ускорителя со сплошным наполнением рабочего газа расчетные значения скоростей составили 5,7*107см/с, что также даёт удовлетворительное согласие с экспериментом.

В рамках предлагаемой модели были получены зависимости  скорости плазменного потока от величины напряжения на накопителе энергии.