Ускорение слабоионизованной плазмы до больших скоростей с повышенным энергосодержанием Пономаренко А.С., магистр естественных наук Воронин А.С., 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: d 2 q R dq q 0, dt 2 L dt LC (1) где R , 0 2L 1 . LC (2) С учётом (13), формула (12) запишется в виде: d 2q dq 2 02 q 0 . 2 dt dt (3) В случае малого затухания имеем: q q0 e t . (4) По закону сохранения энергии для цепи контура имеем: CU 02 q 2 mv 2 2 I RT , 2C 2 2 mv 2 q2 где – полная энергия, запасаемая в конденсаторе, – кинетическая энергия 2 2C CU 02 движения плазмы, I RT – джоулево тепло, – энергия конденсатора, вследствие 2 2 неполной разрядки. (5) 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: q 2 mv 2 , 2C 2 v(t ) q 1 q(t ) 0 et , mC mC (7) q0 e t , mC (8) q0 (1 e t ) . mC (9) v(t ) v(t ) (6) 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. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Волосов В.И. Безнейтронный резонансный синтез (необходимость, принципы, проблемы, пути реализации) // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. – Новосибирск. – 2008. – С. 31–38 2. Воронин А.С., Усеинов Б.М. Совершенствование модели ускорителя плазменного потока методом деления вакуумной камеры. // Материалы межвузовской студенческой конференции «Конституция Республики Казахстан – правовой феномен современности», посвященной 20-летию Конституции Республики Казахстан. – Т.3. – Петропавловск: СКГУ. – 2015. – С. 90–94.