2.2.2 Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов (уздп)

Схема ПУ такого типа, называемого еще ускорителем с замкнутым дрейфом электронов и фокусировкой в протяженном ускоряющем слое с помощью магнитного поля (УЗДП), показана на рис. 2.9.

Основные элементы УЗДП – система магнитов с коаксиальным магнитопроводом, кольцевой ускорительный диэлектрический канал (разрядная камера), анод в глубине канала, служащий также распределителем рабочего газа или пара, катод-компенсатор, эмиттирующий электроны.

Если между анодом и катодом приложить разность потенциалов, то электроны начнут дрейфовать перпендикулярно электрическому Е и магнитному Н полям, описывая в кольцевом канале кривые, близкие к циклоиде. Величина магнитного поля Н в ускорительном кольцевом канале и его длина L подбираются так, чтобы шаг электронной циклоиды h_е был много меньше L. В этом случае говорят, что электроны "замагничены".

Ш аг ионной циклоиды h_i в силу большой массы М_i иона в М_i /m_е раз превосходит h_e (m_е – масса электрона). Поэтому если сделать длину канала L много меньше h_i, то ионы будут слабо отклоняться магнитным полем и под действием электрического поля будут ускоряться практически по прямой линии.

Э

Рисунок 2.9 – Схема плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом.

МПр – магнитопровод; КМП – катушки магнита; ДК – кольцевая диэлектрическая разрядная камера,

УК - ускорительный канал;

КК - катод-компенсатор

нергия, набираемая ионами в таком ускорителе, близка к разности потенциалов, приложенной между анодом и катодом, умноженной на заряд иона (W ≈ qU), а разрядный ток близок к току ускоренных ионов. В целом описываемый плазменный ускоритель работает следующим образом. Ускоряемый газ поступает через анод в кольцевой ускорительный канал УК (рис. 2.9). Здесь в облаке дрейфующих по циклоиде электронов нейтральные атомы ионизуются. Возникший при ионизации электрон за счёт столкновений и под влиянием сил, действующих со стороны электрического и магнитного полей дрейфует в сторону анода, а ион, ускоренный электрическим полем Е, покидает канал. После выхода из канала ион (чтобы не нарушалась квазинейтральность) получает электрон от катода-компенсатора КК.

Распределение радиальной составляющей магнитной индукции В_r (напряженности магнитного поля Н_r) вдоль оси канала неравномерное (рис. 2.10), она нарастает от анода к срезу разрядной камеры (выходу ускорителя). Это позволяет:

• уменьшить долю ионов, попадающих на стенки канала, путем фокусировки ионного потока;

• достичь большей устойчивости режима ускорения посредством подавления колебаний (неустойчивостей) плазмы в канале.

В случае идеальной организации процесса поток электронов вдоль канала должен быть равен нулю, т.е. разрядный ток I_р должен быть равен току ускоренных ионов I_i В лучших конструкциях таких ПУ величина I_i/I_р близка к единице.

Т

Рисунок 2.10 – Осевое распределение величины радиальной составляющей внешнего магнитного поля в канале ускорителя

акие ускорители позволяют получать ионные токи до нескольких десятков ампер с энергией ионов до одного килоэлектронвольта, однако плотность ионного тока у них небольшая: j_i ~0,1 А/см². Мощность потоков в ПУ такого типа небольшая ( до 100 Вт)