Experimental Study of Integrated Characteristics of Plasma Stream and Discharge of a Quasi-Stationary High-Current Plasma Accelerator With Its Own Magnetic Field

Abstract

Квазистационарные сильноточные плазменные ускорители (КСПУ) активно используются в настоящее время для испытания обращённых к плазме компонентов термоядерного реактора (ТЯР) токамака ИТЭР и исследования эрозии материалов при воздействии концентрированных потоков энергии. В качестве перспективных направлений применения КСПУ рассматриваются также прикладные задачи, связанные с созданием технологий плазменной обработки материалов и разработкой мощных электрореактивных плазменных двигателей. Решение поставленных задач предполагает эксплуатацию КСПУ в новых режимах работы, что, в свою очередь, требует оптимизации плазменного ускорителя с целью обеспечения определённого диапазона параметров плазменного потока, согласования с источником питания, достижения приемлемого КПД, обеспечения устойчивости. В связи с этим актуальными являются экспериментальные исследования взаимосвязи параметров плазменного потока с характеристиками разряда в ускорителе. Эти исследования являются предметом настоящей работы. В режимах работы КСПУ, представляющих интерес для испытания компонентов ТЯР, исследована эффективность передачи энергии потока плазмы на облучаемую твердотельную мишень, а также эффективность преобразования энергии потока плазмы в излучение. При формировании потоков водородной плазмы длительностью 0,5 мс, с энергосодержанием до 150 кДж продемонстрирована возможность обеспечения КПД ускорителя свыше 80%, а КПД преобразования энергии потока в излучение плазмы до 40%. Полученные экспериментальные данные необходимы для развития нового направления исследований, связанного с введением в КСПУ дополнительного продольного магнитного поля в сочетании с управлением параметрами плазмообразующего газа на входе в ускорительный канал с целью обеспечения устойчивости работы в более широком диапазоне параметров.Ключевые слова: плазменные ускорители, плазменные потоки, КСПУ, ТЯР, излучение плазмы.Quasistationary high-current plasma accelerators (QSPAs) are currently being actively used to test plasma-facing components (PFCs) of the ITER tokamak and to study the erosion of materials under intense energy fluxes. As a promising area of application of QSPA, there are also technologies for plasma processing of materials and the development of powerful electric jet plasma engines. These tasks are need to QSPA operation in new modes, which, in turn, requires optimization of the plasma accelerator for providing the certain range of plasma stream parameters, coordination with the power source for achieve an acceptable efficiency, and ensuring stability. In this connection, experimental studies of the relationship between the parameters of the plasma flux and the discharge characteristics in the accelerator are relevant. These studies are the subject of this work. In the QSPA operation modes for PFCs testing, the efficiency of the transfer of plasma flux energy to target absorbed energy, as well as the efficiency of plasma flux energy conversion into radiation, was investigated. In these modes, for hydrogen plasma flow with duration of 0.5 ms and energy...

Experimental investigation of the characteristics of the plasma flow generated in quasi-stationary plasma accelerator using optical methods

“…The studied plasma flow was generated in a quasi-stationary plasma accelerator with its own magnetic field. 18 Figure 1 shows the scheme of such an accelerator. Plasma acceleration occurs between two coaxial electrodes, to which an electrical voltage is applied, and a plasma-forming gas is constantly fed into the gap between the electrodes.…”

“…II, the flow velocity is 82.3 km/s, experimentally determined in Sec. III A, the flow radius is 6 cm, 18 and in the approximation of complete ionization, the maximum electron concentration reaches the value of 1:3 Â 10 16 cm À3 . Consequently, the concentration values obtained experimentally on the basis of the H b broadening measurement do not contradict the results of the evaluation performed.…”

“…The use of two experimental schemes for irradiating materials, direct exposure to a plasma flow and indirect irradiation of a material, made it possible in studies using plasma accelerators to separate processes specific to plasma irradiation from general processes caused by thermal effects. 18 Another promising area of application for QSPA-type installations is the development of powerful electrojet plasma rocket engines based on it. 19 In currently widely used ion and Hall thrusters, there is a physical limitation on the maximum current due to their circuit diagram.…”