XVII. Кино 45 страница

Лит. см. при ст. Плазменная металлургия. А. Г. Фридман.

ПЛАЗМЕННОЕ БУРЕНИЕ, способ бурения с применением в качестве рабочего органа плазматрона спец. конструкции (плазмобура). значит. распространение получили плазмобуры с воздушно-вихревой стабилизацией (" закруткой") электрич. дугового разряда, служащего источником плазмы. Темп-pa плазменной струи при П. б. достигает 5000 К, что обеспечивает разрушение горных пород на забое скважины. Плазмообразующими веществами в плазмобурах служат воздух, инертные газы, водяной пар и их смеси. Осевое расположение дуги в плазмобуре позволяет при небольшом наружном диаметре получать высокие мощности. Принцип работы простейшего воздушного плазмобура (рис.) состоит в следующем. Сжатый воздух подаётся через пустотелую буровую штангу в плазмобур, где разделяется на два потока; один из них поступает на внутр. электрод через спиральный канал-завихритель, питает разряд и, обдувая дугу, вынуждает её вращаться. Вращение смещает электродные пятна дуги по поверхности внутри электрода и тем самым предотвращает его преждевременное сгорание. Второй поток охлаждает оба электрода, омывая их теплоотдающие рёбра. Часть второго потока через тангенциальные отверстия в изолирующей втулке поступает внутрь разрядной камеры; образовавшаяся плазма истекает через сопло или неск. сопел на забой. Большая же часть второго потока после охлаждения электродов выбрасывается наружу через отверстия в крышке плазмобура и выносит продукты разрушения из скважины. Распространены и др. схемы плазмобуров, в частности коаксиально-вихревая с водяным охлаждением электродов. В плазмобурах в качестве рабочего тела может применяться воздушно-водяная смесь или пар. Это снижает (или практически совсем устраняет) токсичность отходящих газов (что особенно важно при П. б. в подземных условиях), а также увеличивает удельный тепловой поток плазмобура.

Плазмобур с воздушным охлаждением: 1 - выходной электрод; 2 - внутренний электрод; 3 - завихритель; 4 - шток; 5 - буровая штанга; 6 - корпус; 7 - дуга.

П. б. наиболее эффективно в крепких горных породах (гранитах, кварцитах, порфиритах и т. п.). Скорость бурения прямо пропорциональна удельной мощности плазмобура. Для плазмобура с воздушно-вихревой стабилизацией дуги и воздушным охлаждением скорость бурения в гранодиоритах достигала 4, 5 м/ч при диаметре скважин до 130 мм и мощности до 100 квт; для коаксиально-вихревого плазмобура с введением в плазму углеводородного горючего скорость бурения железистых кварцитов Криворожского басс. достигала 10- 25 м/ч (в пересчёте на шпур диаметром 50 мм) при мощности плазмобура 81-1 50 квт.

П. б. применяется для проходки шпуров и скважин, их расширения, дробления негабаритов, добычи и обработки штучного камня, резания и обработки бетонов.

Лит.: Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы. Тр. IV Всесоюзной конференции по физике и генераторам низкотемпературной плазмы, a.-a., 1970; Бергман Э. Д., Покровский Г. Н., Термическое разрушение горных пород плазмобурами, Новосиб., 1971. Э. Д. Бергман.

ПЛАЗМЕННЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ракетные двигатели, в к-рых рабочее тело ускоряется, находясь в состоянии плазмы. Скорости истечения рабочего тела, достижимые в П. д., существенно выше скоростей, предельных для обычных газодинамич. (химич. или тепловых) двигателей. Увеличение скорости истечения позволяет получать данную тягу при меньшем расходе рабочего тела, что облегчает массу ракетной системы (см. Циолковского формула).

В наст. время (1975) практич. применение на сов. и амер. космических летательных аппаратах нашли плазменные электрореактивные двигатели. В таких П. д. через рабочее тело пропускается электрич. ток от бортового источника энергии, в результате чего образуется плазма с темп-рой в десятки тыс. градусов. Эта плазма затем ускоряется либо газодинамически, либо за счёт силы Ампера, возникающей при взаимодействии тока с магнитными полями (см. Ампера закон, Лоренца сила, Магнитная гидродинамика).

Исследуются возможности создания П. д. на др. принципах. Так, существуют модели П. д., в к-рых действующей силой является реактивная сила отдачи, возникающая при разлёте продуктов разложения и испарения поверхностей твёрдых тел, облучаемых мощными импульсами лазерного излучения или импульсными электронными пучками. Обсуждается также схема ядерного ракетного двигателя на основе ядерного реактора с газофазными (точнее, плазменными) тепловыделяющими элементами. В этом реакторе делящееся вещество должно находиться в состоянии плазмы с темп-рой в неск. десятков тыс. градусов. При контакте с ним рабочее тело (напр., водород) будет нагреваться до соответствующих температур, что позволит получить скорости истечения в неск. десятков км/сек.

Лит.: Гильзин К. А., Электрические межпланетные корабли, 2 изд., М., 1970; Плазменные ускорители, под ред. Л. А. Арцимовича [и др.], М., 1973. А. И. Морозов.

ПЛАЗМЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, преобразователи тепловой энергии плазмы в электрич. энергию. Существует 2 типа П. и. э. э.- магнитогидродинамический генератор и термоэлектронный преобразователь.

ПЛАЗМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ, устройства для получения потоков плазмы со скоростями 10-10³ км/сек и более, что соответствует кинетич. энергии ионов от ~10 эв до 10⁵-10⁶ эв. На нижнем пределе энергии П. у. соседствуют с генераторами низкотемпературной плазмы- плазматронами, на верхнем - с коллективными ускорителями заряженных частиц (см. Ускорения заряженных частиц коллективные методы). Как правило, П. у. являются ускорителями полностью ионизованной плазмы, поэтому процессы возбуждения и ионизации, а также тепловые процессы играют в них, в отличие от плазматронов, вспомогат. роль.

Плазменные потоки с большими скоростями можно получить разными способами, напр. воздействием лазерного луча на твёрдое тело. Однако к собственно П. у. относят лишь устройства (рис. 1), в к-рых ускорение и обычно одновременное приготовление плазмы осуществляются за счёт электрич. энергии с помощью одного или неск. специальных электрич. разрядов.

В отличие от ускорителей заряженных частиц, в канале П. у. находятся одновременно частицы с зарядами обоих знаков - положит. ионы и электроны, т. е. не происходит нарушения квазинейтральности. Это снимает ограничения, связанные с объёмным (пространственным) зарядом (см. Ленгмюра формула), и позволяет получать плазменные потоки с эффективным током ионов в неск. млн. а при энергии частиц ~ 100 эв. При ионных токах ~ 1000 а уже достигнута энергия частиц в неск. кэв.

Рис. 1. Принципиальная схема плазменного ускорителя.

Из П. у. ионы и электроны выходят практически с равными направленными скоростями, так что осн. энергия потока приходится на ионы (вследствие их большой массы). Поэтому П. у.- это электрич. 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 = p_i + p_e и действием силы Ампера F_Амп (см. Ампера закон), возникающей при взаимодействии токов, текущих в плазме, с магнитным полем, F_Амп~[jB], где j - плотность тока в плазме, В - индукция магнитного поля.

В рамках второго подхода ускорение ионов может происходить в результате: 1) действия электрич. поля Е, существующего в плазменном объёме; 2) столкновений направленного потока электронов с ионами (" электронного ветра"); 3) столкновений ионов с ионами, благодаря к-рым энергия хаотич. движения ионов переходит в направленную (тепловое или газодинамич. ускорение ионов). Наибольшее значение для П. у. имеет электрич. 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 p или сила Ампера.

Среди тепловых П. у. осн. интерес представляют неизотермические ускорители, в к-рых p_e > > p_i. Это объясняется тем, что обычно трудно создать плазму с высокой темп-рой ионов Ti и сравнительно просто - с " горячими" электронами (T_e> > T_i Такая плазма является неизотермической. Конструктивно неизотермич. ускоритель представляет собой " магнитное сопло" (рис. 2), в к-ром либо путём инжекции быстрых электронов, либо путём электронного циклотронного резонанса создают плазму с " горячими" электронами, T_e~10⁷-10⁹ К, или в энергетич. единицах: kT_e~10³-10⁵ эв (где k - Болъцмана постоянная). Электроны, стремясь покинуть камеру, создают электрич. поле объёмных зарядов, к-рое

Рис. 2. Схема неизотермического плазменного ускорителя. Электронный пучок, выходящий из электронной пушки ЭП, нагревает электроны в газоразрядной камере ГК и ионизует рабочее вещество РВ, подаваемое в камеру. Образующаяся ускоренная плазма УП под действием перепада электронного давления вытекает вдоль магнитных силовых линий, создаваемых катушками магнитного поля КМП. " вытягивает" (ускоряет) ионы, сообщая им энергию порядка kT_e.

[ris]

Электромагнитные П. у. подразделяются по характеру подвода энергии к плазме. Различают три класса: а) радиационные ускорители, в к-рых ускорение плазменного потока происходит за счёт давления электромагнитной волны, падающей на плазменный сгусток (рис. 3, а); 6) индукционные ускорители - импульсные системы, в к-рых внешнее нарастающее магнитное поле В индуцирует ток j в плазменном кольце (рис. 3, 6), созданном тем или иным способом. Взаимодействие этого тока с радиальной составляющей внешнего магнитного поля создаёт силу Ампера, к-рая и ускоряет плазменное кольцо; в) электродные плазменные ускорители, в к-рых существует непосредственный контакт ускоряемой плазмы с электродами, подключёнными 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., к-рые ниже будут рассмотрены подробнее.

Рис. 3. а-схема радиационного плазменного ускорителя: КМП - катушки магнитного поля; В.- волновод; Пи - плазменный сгусток; ЭВ - электромагнитная волна; б - схема индукционного плазменного ускорителя: В - магнитное поле; ПК - плазменное кольцо; ИК - индукционная катушка; j - ток в плазменном кольце.