ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 12, с. 1099-1106
ДИНАМИКА ПЛАЗМЫ
УДК 507.9.01
ФОРМИРОВАНИЕ ЗОНЫ СЖАТИЯ В ПЛАЗМЕННОМ ПОТОКЕ, ГЕНЕРИРУЕМОМ МАГНИТОПЛАЗМЕННЫМ КОМПРЕССОРОМ
© 2013 г. Д. Г. Соляков, Ю. В. Петров, И. Е. Гаркуша, В. В. Чеботарев, М. С. Ладыгина, Т. Н. Чередниченко, Я. И. Моргаль, Н. В. Кулик, В. В. Стальцов, Д. В. Елисеев
Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт", Институт физики плазмы,
Национальная академия наук Украины e-mail: solyakov@ipp.kharkov.ua Поступила в редакцию 22.02.2013 г. Окончательный вариант получен 09.04.2013 г.
Обсуждаются процессы, происходящие в плазменном потоке, генерируемом магнитоплазменным компрессором (МПК), при формировании области компрессии. Приводятся результаты измерений пространственных распределений электрических токов в потоке плазмы, распределение плотности плазмы, как во времени, так и вдоль потока и зависимость скорости отдельных слоев потока вдоль оси системы. Проведен анализ пространственного распределения электромагнитной силы в потоке. Показано, что плазменный поток тормозится при приближении к зоне компрессии, а после ее прохождения доускоряется. При этом скорость потока плазмы уменьшается от величины v = (2—3) х 107 см/с на выходе МПК до v < 106 см/с в области максимального сжатия, а в дальнейшем опять возрастает до 107 см/с на расстоянии 15—17 см от среза МПК. В ряде режимов работы МПК регистрировалось вытеснение магнитного поля из области компрессии и образование тороидальных вихрей электрического тока в плазменном потоке после прохождения области компрессии.
DOI: 10.7868/S0367292113110085
1. ВВЕДЕНИЕ
Получение и исследование квазистационарных компрессионных самосжимающихся течений плотной плазмы является интересной и важной задачей с фундаментальной точки зрения. Исследования газоразрядных систем с коаксиальными электродами, такими как магнитоплаз-менные компрессоры (МПК) и квазистационарные плазменные ускорители (КСПУ), проводились на протяжении многих лет [1—23]. В этих работах было показано, что вблизи выхода МПК формируется устойчивая зона компрессии, были выполнены как теоретические, так и экспериментальные исследования течения плазмы в каналах МПК различных конструкций. Основной объем экспериментальных исследований течения плазмы, а именно исследование пространственных распределений токов и электрического потенциала, проводился в межэлектродном промежутке МПК [3, 4, 6]. Исследования пространственных распределений электрических токов и потенциалов в генерируемом плазменном потоке был выполнен на установке КСПУ П-50 [15, 19]. Однако в этих работах не проводился анализ распределения электромагнитных сил в плазменном потоке, их влияние на формирование области компрессии и взаимосвязь с остальными пара-
метрами потока, такими как плотность, температура и скорость.
Следует отметить, что, несмотря на огромный объем экспериментальных, теоретических и численных исследований течения плазмы в профилированных каналах, к настоящему времени не сформулированы четкие критерии выбора начальных условий и геометрии канала для получения квазистационарных компрессионных потоков с параметрами, близкими к теоретическому пределу. Оптимизация геометрии канала квазистационарного плазмодинамического устройства описана в работе [20]. В этих экспериментах показана важная роль выбора геометрии канала при организации квазистационарного течения плазмы. Однако эти исследования были выполнены при низких значениях разрядного тока (до 40 кА) и объем полученной информации о течении плазмы и параметрах генерируемого потока был весьма скуден.
В работах [1, 5, 6] показано, что энергия, передаваемая из системы питания в канал МПК может перераспределяться между тремя основными составляющими: кинетической энергией потока, тепловой энергией и энергией магнитного поля:
v2 , [dp H2 . ТТ --+ I— +-= const = U
2 J p 4np
Рис. 1. Схема МПК: 1 — цилиндрическая часть катода, 2 — цилиндрическая часть анода, 3 — коническая часть анода, 4 — коническая часть катода, 5 — цилиндрическая часть канала, 6 — профилированная часть канала, 7 — торцевой изолятор, 8 — продольный изолятор.
это уравнение Бернулли для узкой трубки потока,
2
V
где —— кинетическая энергия, нормированная
Ш Н2
на единицу массы, I — — энтальпия и--энер-
* р 4пр
гия магнитного поля, нормированная на единицу массы. На основании уравнения Бернулли были выполнены оценки максимально достижимых значений плотности и температуры плазмы в области компрессии для типичных экспериментальных условий МПК [24]. Было оценено, что при величине разрядного тока 400 кА плотность плазмы в области компрессии может достигать величины 1.6 х 1018 см-3, а температура 270 эВ. Безусловно, эти оценки весьма приблизительны и идеальны, но, тем не менее, они дают возможность представить порядки величин параметров плазмы в области компрессии, которые могут быть достигнуты.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование пространственных распределений токов, протекающих в плазменном потоке, генерируемом МПК в различных режимах его работы, а также пространственных распределений электромагнитных сил в плазменном потоке и их взаимосвязь с параметрами плазмы в области компрессии, а именно: плотностью, температурой и скоростью потока.
2. ВЫБОР ГЕОМЕТРИИ КАНАЛА МПК.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ
Ранее было показано (например [5]), что для реализации компрессионного течения и получения устойчивой зоны компрессии геометрия канала должна удовлетворять определенным требованиям, а именно, средний радиус канала должен стремиться к нулю г ^ 0 и ширина канала /, так
же, должна стремиться к нулю/ ^ 0. Именно по этому принципу выбиралась конструкция МПК. Ускорительный канал МПК [24-26] (рис. 1) образован медными коаксиальными электродами, внешний — анод и внутренний — катод. Анод состоит из двух частей: сплошной цилиндрический диаметром 120 мм (2), длиной 145 мм, и стержневой конической длиной 147 мм и диаметром выходной части 75 мм (3). Сплошной катод имеет цилиндрическую часть (1) длиной 208 мм, диаметром 60 мм, и коническую часть (4) длинной 120 мм и диаметром выходной части 30 мм. Таким образом, средний радиус и ширина канал МПК уменьшаются вдоль оси системы, что должно создавать предпосылки для реализации компрессионного режима течения плазмы. Анод и катод разделены кольцевым изолятором (7) с внутренним диаметром 42 мм и толщиной 20 мм. Для предотвращения электрического пробоя при работе на высоких напряжениях на цилиндрическую часть катода надевался продольный керамический изолятор (8).
МПК устанавливался в вакуумной камере диаметром 45 см и длиной 200 см. Камера откачивалась турбомолекулярным насосом ТМН-500 до давления 2 х 10-5 Торр. Эксперимент проводился в режиме работы МПК на остаточном газе гелии при давлениях в вакуумной камере 2 и 10 Торр.
Энергопитание разряда в МПК осуществлялось от емкостного накопителя емкостью 90 мкФ и максимальным напряжением 30 кВ. Батарея коммутировалась управляемым вакуумным разрядником. Длительность первого полупериода осциллограммы разрядного тока составляла 10 мкс.
Система диагностики экспериментального стенда МПК включала в себя пояса Роговского, частотно-компенсированные делители напряжения, магнитные и электрические зонды, локальные подвижные калориметры, комплекс спектроскопической диагностики, скоростную фоторегистрацию. Скорость отдельных слоев плазменного потока определялась по времени пролета потока между двумя двойными электрическими зондами, установленными на различных расстояниях от выхода МПК.
Плотность плазмы определялась по штарков-скому уширению спектральной линии Не11 4685 А. Измерения проводились вдоль оси плазменного потока с разрешением во времени 0.5—0.6 мкс. Температура электронов оценивалась из отношения интенсивности линии Не11 4685 А к интенсивности сплошного спектра. Необходимо отметить, что данный метод оценки температуры электронов позволял получать только усредненное вдоль линии наблюдения значение температуры.
r, см
Z, см
Рис. 2. Пространственное распределение тока в плазменном потоке: цифрами обозначены линии равного тока в кА. Режим работы МПК — максимальный разрядный ток 1р = 400 кА, давление остаточного газа 2 Торр.
r, см
Z, см
Рис. 3. Пространственное распределение тока в плазменном потоке: цифрами обозначены линии равного тока в кА; токи выноса вне канала МПК замыкаются на внешней стороне анода. Режим работы МПК — максимальный разрядный ток 1р = 400 кА, давление остаточного газа 10 Торр.
Пространственные распределения собственного магнитного поля в плазменном потоке измерялись с помощью набора магнитных зондов максимальным диаметром 4 мм. Зонды располагались таким образом, чтобы измерять радиальные распределения собственного магнитного поля на различных расстояниях от среза МПК. Таким образом, были получены двумерные распределения магнитного поля в потоке плазмы Нф(г, z). Средняя статистическая ошибка зондовых измерений составляла (10—15)%. В дальнейшем, из экспериментально полученных пространственных распределений магнитного поля, в предположении аксиальной симметрии, восстанавливались пространственные распределения электрического тока в потоке, а именно линии равного тока I(r, z) = = 5гНф(г, z) = const. Вектор плотности тока j(r, z) направлен по касательной к линии равного тока.
Основной объем экспериментальных данных был получен при напряжении на емкостном накопителе 20 кВ. Максимальный разрядный ток достигал 400 кА.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИИ
3.1. Пространственные распределения электрических токов и силы Ампера в плазменном потоке
Для понимания процесса формирования области компрессии в плазменном потоке необходимо знать пространственное распределение электромагнитных сил, под действием которых плаз-
менный поток формируется, ускоряется или трансформируется.
Для оценки пространственных распределений силы Ампера были измерены пространственные распределения собственного магнитного поля Нф(г, z) в плазменном потоке, генерируемом МПК. На рис. 2 и рис. 3 представлены линии равного тока I(r, z) = 5гНф(г, z) =
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.