В отличие от ускорителей заряженных частиц, в канале П. у. находятся одновременно частицы с зарядами обоих знаков — положительные ионы и электроны, т. е. не происходит нарушения квази-нейтральности. Это снимает ограничения, связанные с объёмным (пространственным) зарядом (см. Ленгмюра формула), и позволяет получать плазменные потоки с эффективным током ионов в несколько млн. а при энергии частиц ~ 100 эв. При ионных токах ~ 1000 а уже достигнута энергия частиц в несколько кэв.
Из П. у. ионы и электроны выходят практически с равными направленными скоростями, так что основная энергия потока приходится на ионы (вследствие их большой массы). Поэтому П. у. — это электрические системы, ускоряющие ионы в присутствии электронов, компенсирующих объёмный заряд ионов.
Механизм ускорения. При анализе рабочего процесса в П. у. плазму можно рассматривать и как сплошную среду, и как совокупность частиц (ионов и электронов). В рамках первого подхода ускорение плазмы обусловлено перепадом полного (ионного и электронного) давления p = pi + pe и действием силы Ампера FAмп (см. Ампера закон), возникающей при взаимодействии токов, текущих в плазме, с магнитным полем, FAмп ~ [jB], где j — плотность тока в плазме, В — индукция магнитного поля.
В рамках второго подхода ускорение ионов может происходить в результате: 1) действия электрического поля Е, существующего в плазменном объёме; 2) столкновений направленного потока электронов с ионами («электронного ветра»); 3) столкновений ионов с ионами, благодаря которым энергия хаотического движения ионов переходит в направленную (тепловое или газодинамическое ускорение ионов). Наибольшее значение для П. у. имеет электрическое ускорение ионов, меньшее — два последних механизма.
Классификация плазменных ускорителей. П. у. делятся на тепловые и электромагнитные в зависимости от того, преобладает ли в процессе ускорения перепад полного давления р или сила Ампера.
Среди тепловых П. у. основной интерес представляют неизотермические ускорители, в которых pe >> pi. Это объясняется тем, что обычно трудно создать плазму с высокой температурой ионов Ti, и сравнительно просто — с «горячими» электронами (Te >> Ti). Такая плазма является неизотермической. Конструктивно неизотермический ускоритель представляет собой «магнитное сопло» (рис. 2), в котором либо путём инжекции быстрых электронов, либо путём электронного циклотронного резонанса создают плазму с «горячими» электронами, Te ~ 107—109 К, или в энергетических единицах: kTe ~ 103—105 эв (где k — Больцмана постоянная).
Электроны, стремясь покинуть камеру, создают электрическое поле объёмных зарядов, которое «вытягивает» (ускоряет) ионы, сообщая им энергию порядка kTe.
Электромагнитные П. у. подразделяются по характеру подвода энергии к плазме. Различают три класса:
а) радиационные ускорители, в которых ускорение плазменного потока происходит за счёт давления электромагнитной волны, падающей на плазменный сгусток (рис. 3, а); б) индукционные ускорители — импульсные системы, в которых внешнее нарастающее магнитное поле В индуцирует ток j в плазменном кольце (рис. 3, б), созданном тем пли иным способом. Взаимодействие этого тока с радиальной составляющей внешнего магнитного поля создаёт силу Ампера, которая и ускоряет плазменное кольцо; в) электродные плазменные ускорители, в которых существует непосредственный контакт ускоряемой плазмы с электродами, подключенными к источнику напряжения. При амперовом взаимодействии этого тока с внешним (т. е. созданным автономными магнитными системами) или собственным (созданным током, протекающим через плазму) магнитным полем происходит ускорение плазмы. Наиболее изученными и многочисленными являются электродные П. у., которые ниже будут рассмотрены подробнее.
А. Плазменные ускорители с собственным магнитным полем
Импульсные электродные ускорители (пушки). Первым П. у. был «рельсотрон» (рис. 4, а), питаемый конденсаторной батареей. Плазменный сгусток создаётся при пропускании большого тока через тонкую проволоку, натянутую между рельсами, которая при этом испаряется и ионизуется, или за счёт ионизации газа, впрыскиваемого в межэлектродный промежуток через специальный клапан. При разряде на ток в плазменной перемычке (достигающий десятков и сотен ка) действует собственное магнитное поле электрического контура, в результате чего за время порядка 1 мксек и происходит ускорение сгустка. Позднее импульсным ускорителям был придан вид коаксиальной системы (рис. 4, б). В этом случае ускорение сгустка плазмы происходит под действием силы Ампера Faмп, возникающей при взаимодействии радиальной составляющей тока jr с азимутальным собственным магнитным полем Hf. Такие П. у. уже нашли широкое применение и позволяют получать сгустки со скоростями до 108 см/сек и общим числом частиц до 1018.
Стационарные сильноточные торцевые ускорители. В принципе коаксиальный ускоритель можно сделать стационарным (работающим в непрерывном режиме), если непрерывно подавать в зазор между электродами рабочее вещество (ионизуемый газ). Однако вследствие Холла эффекта при стационарном разряде в ускорителе электрический ток имеет значительную продольную составляющую. Благодаря этому происходит «отжатие» плазмы к катоду, образование прианодных скачков потенциала и т.п., что ведёт к резкому уменьшению кпд. В связи с этим более эффективной оказывается «торцевая» схема (рис. 5, а) с коротким катодом, через который одновременно подаётся рабочее вещество. Ускорение плазмы в торцевом П. у. происходит также в основном за счёт силы Ампера, возникающей при взаимодействии радиальной составляющей jr, тока j с азимутальным магнитным полем Hf. Если при постоянной подаче рабочего вещества непрерывно увеличивать разрядный ток Ip, то сначала скорость истечения плазмы и кпд ускорителя будут расти. Однако при некотором значении Ip происходит вынос большой части разрядного тока за срез ускорителя, резко возрастает напряжение и падает кпд, в ускорителе возникают колебания. Наступает так называемый критический режим. Его физической причиной является, по-видимому, пинч-эффект, в результате которого плазменный шнур отрывается от анода.
На нормально работающих торцевых ускорителях с собственным магнитным полем при разрядных токах около 104 а удаётся получать стационарные потоки плазмы со скоростями ~ 100 км/сек и характерными расходами рабочего вещества ~0,01—0,1 г/сек. При этом напряжение на разряде составляет около 50 в.
Описанный торцевой ускоритель становится неработоспособным не только при больших, но и при малых разрядных токах Ip, поскольку сила Ампера пропорциональна Ip2. Поэтому при /р < 1000 а роль силы Ампера в реальных условиях становится меньше, чем газокинетическое давление, и торцевой П. у. превращается в обычный плазматрон. Чтобы увеличить эффективность торцевого ускорителя при малых мощностях, в рабочем канале создают внешнее магнитное поле (рис. 5, б). Получающийся ускоритель называется торцевым холловским ускорителем, или магнито-плазменным ускорителем. Он позволяет получать потоки плазмы со скоростями в десятки км/сек при мощности ³ 10 квт. Замечательная особенность торцевых ускорителей — способность создавать потоки частиц с энергией, в несколько раз превосходящей приложенную разность потенциалов. На языке динамики частиц это объясняется увлечением ионов за счёт столкновений с электронным потоком, идущим из катода («электронным ветром»).
Б. Плазменные ускорители с внешним магнитным полем
Если требуется получать стационарные потоки малой мощности (£ 10 квт) или потоки частиц с большими скоростями (³ 108 см/сек), особенно удобными оказываются так называемые «П. у. с замкнутым дрейфом», один из видов которых схематически изображен на рис. 6. Это осесимметричная система с радиальным магнитным полем в кольцевом ускорительном канале, в котором находится плазма. Работу данного П. у. проще понять, рассматривая динамику электронов и ионов.
