№11.2. Плазмовий магніто-пдродинамічний генератор

Магніто-гідродинамічний генератор (МГД-генератор) - це пристрій для безпосереднього перетворення теплової енергії на електричну. Він заснований на принципі електромагнітної індукції, тобто виникнення струму в провіднику, який перетинає магнітні силові лінії. Як рухомий провідник у МГД-генераторі застосовують плазму. Схематично принцип будови МГД-генератора подано на

Гарячі гази, які утворились у робочій камері (1) при спалюванні в ній палива, виходячи з надзвуковою швидкістю із сопла (2), перетинають си­лові лінії магнітного поля (3), створеного потужним зовнішнім електромаг­нітом. У робочій камері газ набуває такої температури, що частина його атомів виявляється іонізованою, і цей газ стає низькотемпературною слаб-коіонізованою плазмою. Іноді для підвищення ступеня юнізацЛ до палива додають присадку з речовин, які легко іонізуються, наприклад, сол калію (поташ К_гС0₃) Під дією сили Лоренца (правило правої руки) позитивні за­ряди (у позначеннях рис 11 2) зміщуються вниз, негативні - вгору У плаз­мі виникає електричний струм /, який з електродів (4) виводиться на нава­нтаження (5) Наприклад, при швидкості витікання плазми у= 500 м/с, ін­дукції магнггного поля І! = 3 Тл і ширині каналу / =1м напруга, яка утворю­ється між електродами, становить 1500 В.

МГД-генератори передбачається використовувати як перший ступінь для отримання електричного струму на потужних електростанціях. Гарячі гази, які утворюються в топці котла електростанції, мають температуру в 2-3 тисячі градусів, тоді як робоча пара нагрівається лише до 500-600 °С. Отже, для отримання пари таи гарячі гази не потрібні, можна обійтись і холоднішими, але такі гарячі гази можуть бути використані в МГД-генераторах. Лише після виходу з цього генератора, частково охолоджені, але все ще достатньо гарячі, гази можна подавати у традиційні котельні системи. Вважається, що таке використання МГД-генераторів на 20-25 % підвищить к к д електростанцій, який на сьогодні не перевищує 40 %. Поки що ця прекрасна ідея не знайшла ще технічного втілення.

№12.1. Рух пучків заряджених частинок в однорідному електричному полі. Зіткнення частинок їх види ймовірність зіткнень.

Імовірність зіткнень. Поперечний переріз частинок. Середня довжина вільного пробігу!

Якщо в нас є повна концентрація частинок N, то зменшення густини потоку частинки запишемо ; - закон Бугера; – середня довжина вільного пробігу частинок. Частота зіткнень, тобто кількість зіткнень за 1 секунду ; q – переріз зіткнення. Атоми і молекул мають хвильові властивості то звичайно середній переріз одної молекули при зіткненні з часинкою буде функцією енергії частинок які стикаються. Якщо бомбардувати атоми молекули електронами, то виявляється що переріз частинки сильно зменшується із збільшенням енергії електрона. Для електронів з малою енергією ефективний радіус молекул 10^-7-10^-8 см. ; ; В не пружних ударах:

- деформоване тіло. Звичайний не пружний удар має місце коли стикається 2 тіла. Над пружний удар може виникнути при зіткненні не збуд із збудж. Після такого удару виділяється енергія.

Елементарні процеси при зіткненні 2-х частинок

Найпростіший процес це є перезарядження частинок . Найбільш імовірний процес перезарядження це резонансне перезарядження коли ⊿W=0.

Резонансне перезарядження має місце коли іони якогось газу рухаються в своєму власному газі. Переріз є достатньо великий. В результаті маємо замість швидкого іона і повільного атома одержуємо швидкий атом і повільний тепловий іон. Перехід електрона з атома до іона проходить за рахунок тунельного ефекту. Явище перезарядження можна виконати для створення високих енергетичних пучків нейтральних атомів.

Збудження коливних і обертових рівнів в молекулах

При зіткненні 2-х 3-х атомних молекул можливе збудження обертових і коливних рівнів цих молекул. При більших енергіях молекул може статися дисоціація молекул. При зіткненні електрона з атомом можливе збудження атомів та іонізація. Це явище має місце коли енергія електрона що налітають на атом достатня для переходу валентного електрона в вищий рівень. Час релаксації такого процесу становить 10^-7-10^-9 с. При великих енергіях електрона можлива іонізація атома.

№12.2. Іонно-плазменна обробка поверхонь.

Якщо до металічного тіла, зануреного у плазму, прикласти досить ве­лику від'ємну напругу, то позитивні іони, витягнуті з плазми цією напру­гою, будуть бомбардувати поверхню тіла й розпорошувати її (іонне роз­порошення). Цей процес можна застосувати для очищення поверхні, її полірування або травлення. Розпорошений матеріал буде осідати на стінках робочої камери, забруднюючи їх, але його можна використати для осадження плівок на спеціально підготовлену поверхню виробів. При цьому, на відміну від звичайного напилювання тепловим випаровуванням, плівка, осаджена з плазми, утворюється значно міцнішою. Справа в тому, що при іонному розпорошенні частинки розпорошуваної речовини мають значну енергію, вони, як цвяхи, міцно «вбиваються» в поверхню виробу, на якій і за­кріплюються

Вплив плазми на поверхню стає ще інтенсивнішим. якщо в робочу ка­меру додатково введений ще якийсь хімічно-активний газ - кисень, хлор чи фтор Тоді до іонного бомбардування додаються ще й хімічні реакції Та­кий процес називають пиазмо-хімічним травленням Швидкість подібного травлення становить одиниці нанометрів за секунду. Неважко також піді­брати умови, за яких утворюються хімічні сполуки, які осідають на підкладинках у вигляді однорідних діелектричних або напівпровідникових плівок Отже, результатом іонно-плазмової обробки поверхні може бути або трав­лення цієї поверхні, або осадження плівок з розпорошених продуктів Цими можливостями визначаються галузі застосування процесів іонно-плазмової обробки в технології До них належить:

• очищення поверхонь підкладинок перед нанесенням на них різ­ного роду покриттів;

• розпорошення матеріалів для нанесення плівок на підкладинки.

• іонне полірування поверхонь;

• травлення матеріалів для створення на поверхні дрібномасштаб­них рельєфних рисунків.

Останній процес широко використовується у виробництві мікросхем.

№13.1. Відхилення пучків магнітним полем.

М агнітне відхилення здійснюють з допомогою однорідного магнітного поля. Частинка рухається по колу радіуса еремо малі кути відхилення.

В такому випадку коли cos~1 маємо

- чутливість магнітного відхилення. Вона залежить від питомого заряду.

№13.2. ВИКОРИСТАННЯ ГАЗОРОЗРЯДНОЇ ПЛАЗМИ ДЛЯ ОДЕРЖАННЯ ВИСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

Газовий розряд високого (порядку 1 атм) тиску зі створюваною в ньому низькотемпературною плазмою був і продовжує залишатись основним способом отримання найвищих температур, які доступні сучасній техніці Щодо термінології, то слід зауважити, що низькотемпературною прийняло називати плазму з температурою до 10⁵ К. плазму ж з температурою понад 10⁵-10⁶ К називають високотемпературною. З такою плазмою доводить­ся мати справу в експериментах з термоядерного синтезу, про що йти­меться далі. У сучасній техніці та технології досі застосовується саме ни­зькотемпературна плазма, хоча отримувані за їі допомогою температури досить високі

Як згадувалось вище, у розрядах низького тиску (р < 1 мм рт. ст) плазма неізотермічна у ній при високій електронній температурі в тисячі та десятки тисяч градусів температура нейтрального газу лише не набагато перевищує кімнатну Тільки при тисках порядку атмосферного, коли електрони, перш ніж залишити об'єм плазми, встигають "прогріти" іони та нейтральний газ, плаз­ма стає ізотермічною, і в каналі розряду температура може сягати багатьох тисяч градусів Така ізотермічна плазма високого тиску і використовується в технологічних цілях як джерело високих температур

Практичним і добре знайомим прикладом технологічного застосову­вання подібної плазми може бути електрозварювання електродом, що плавиться. При цьому електрична дуга розплавляє метал зварюваного виробу І сам зварювальний електрод. Температуру електричної дуги мо­жна підвищити, якщо, не змінюючи величини розрядного струму, стисну­ти плазмовий шнур Для цього його пропускають крізь вузенький отвір, охолоджуваний проточною водою. При стисненні густина струму в шнурі та омічний опір (шнура) зростають, потужність, яка вводиться в одиницю об'єму плазми, підвищується й ЇЇ температура зростає.

Р еалізацією цієї ідеї стало створення плазмотрона - плазмового па­льника, найбільш високотемпературного джерела тепла, яке використо­вуються в сучасній техніці. Схематичну будову плазмотрона показано на рис 11.1 Спочатку розряд запалюється між катодом (1) і металічною каме­рою (2) Потім потоком газу, що вдувається крізь отвір (4). плазма видуваєть­ся назовні крізь вузенький канал (3) і тоді розряд горить мок катодом і повер­хнею виробу (5) Принципова перевага плазмотрона перед звичайним газовим (автогенним) пальником полягає в тому, що в останньому кіль­кість тепла, що виділяється з одиниці маси газів, що витікають, обмеже­на їх теплотвіриою здатністю Саме це й обмежує максимальну темпера­туру, що досягається в газовому пальнику. У плазмотроні ж потік газів, які витікають із сопла, і кількість введеної в цей газ енергії між собою не пов'язані, оскільки від джерела енергії (електростанції) можна ввести у плазму будь-яку кількість енергії Тому температура газів, що витікають з

плазмотрона може бути дуже високою й обмежується лише такими тех­нологічними чинниками, як теплова стійкість камери.