Физика плазмы

Направление: Физика плазмы
Подразделение: кафедра физики
Руководитель: Бугрова А.И., д.ф.-м.н., проф., (e-mail: bugrova@mirea.ru, тел.: +7 495 434-86-22).

Плазменные ускорители.
Научная группа "Научно-технического центра высоких технологий плазмодинамики" проводит работы по созданию, разработке и исследованию лабораторных моделей стационарных плазменных источников (СПД) второго поколения типа АТОН. Разработан и создан лабораторный источник, работающий как в стационарном режиме, так и в режиме коротких импульсов. Продолжаются работы на двухступенчатом ускорителе СПД-МАГ. Эти стационарные ускорители имеют высокий к.п.д., большой удельный импульс, мало расходящуюся струю и низкий уровень шумов в широком диапазоне частот, поэтому они могут быть использованы для выполнения различных задач в ионно-плазменной технологии и в Космосе на борту искусственных спутников Земли.
Целью проводимых исследований является глубокое понимание физических процессов, происходящих в плазменном источнике и приводящих к получению его заданных характеристик. К их числу принадлежат экспериментально установленные в МИРЭА явление пристеночной проводимости, влияние запыления стенок изолятора разрядной камеры в условиях наземных испытаний, а также выявление причин шумов и т.д.
Параметрическое семейство СПД второго поколения.

В результате работ данной научной группы был создан и испытан параметрический ряд плазменных источников, работающих в широком диапазоне мощностей и на различных рабочих веществах. Двигатели малой мощности (до 300 Вт) могут работать на малых космических аппаратах (КА), используемых для связи и для метеорологических измерений.
Двигатели большой мощности, развивающие большую тягу, могут быть применены для коррекции орбит КА и в качестве маршевых для полетов на Марс и другие планеты.
Полученные высокие характеристики двигателей СПД типа АТОН привлекли к себе пристальное внимание различных организаций, работающих в данной области, как в России, так и за рубежом.
Были сконструированы и испытаны лабораторные двигатели СПД средней мощности, работающие на высоких напряжениях, позволяющих достичь удельного импульса свыше 3000 с.
Разработан новый двигатель малой мощности типа α, относящийся к классу АТОН. Его номинальная мощность составляет всего 150 Вт.
Исследован гибридный двигатель α – 100, работающий в двух режимах при одной и той же мощности. На первом режиме достигнута тяга 120 Мн, на втором (высоковольтном) получен удельный импульс 3000 с. два режима легко перестраиваются в автоматическом режиме.
Плазменная струя двухступенчатого ускорителя СПД-МАГ.

Лаборатория Плазмодинамики тесно сотрудничает со специалистами ОКБ "Факел", французской фирмой SNECMA и Харбинским политехническим институтом КНР. С фирмой SEP был запатентован во всем мире плазменный двигатель нового поколения. В настоящее время продолжаются интенсивные физические исследования процессов в СПД в рамках ИНТАС совместно с сотрудниками МГУ, МАИ, НИИ ПМЭ, РНЦ "Курчатовский институт", французской фирмой SNECMA. В работе принимают участие студенты МИРЭА.

Основные работы, опубликованные по результатам исследований:
  1. А.И. Морозов, А.И. Бугрова, А.В. Десятсков и др. Стационарный плазменный ускоритель-двигатель АТОН. Физика плазмы, 1997, т. 23, №7, с. 635-645.
  2. А.И. Бугрова, А.С. Липатов, А.И. Морозов, С.В. Баранов. Влияние соотношения долей ионов разной кратности на интегральные параметры СПД типа АТОН. Письма в ЖТФ, 2005, т. 31, вып. 21, с. 87-94.
  3. К.П. Кирдяшев. А.И. Бугрова, А.И. Морозов и др. СВЧ - колебания в ускорительном канале стационарного плазменного двигателя СПД АТОН. Письма в ЖТФ, 2005, т. 31, вып. 14, с. 7-15.
  4. Бишаев А.М., Десятсков А.В, Козинцева М.В., Липатов А.С. «Распределение плотности ионообразования в канале стационарного плазменного двигателя АТОН»//Космонавтика и ракетостроение, 2008 г., 3(52), стр. 58-64.
  5. Бугрова А.И., Морозов А.И., Сигов А.С., Харчевников В.К. «Две моды работы двуступенчатого ускорителя типа МАГ»// Космонавтика и ракетостроение, 2008 г., 3(52), стр. 65-68.
  6. Бугров Г.Э., Десятсков А.В., Козинцева М.В., Липатов А.С. «Интегральные параметры стационарного плазменного двигателя АТОН малой мощности в стационарном и «пулеметном» режимах»// Космонавтика и ракетостроение, 2008 г., 3(52), стр. 69-74.
  7. Бугрова А.И., Десятсков А.В., Липатов А.С., Сигов А.С., Харчевников В.К. и др. «Экспериментальные исследования плазменных двигателей семейства АТОН»// Физика плазмы, 2010 г., том 36, № 4, стр. 395-400.
  8. M.V. Kozintseva, A.S. Lipatov, A.M. Bishaev, G.E. Bugrov, M.I. Shaposhnikov, Yu Daren, N. Zhongxi “Forecast of Erosion Rate of SPT K-0 Channel Insulators by Spectral Measurements” // Proceedings of the 32nd International Electric Propulsion Conference, Wiesbaden, Germany, September 11 – 15, 2011, IEPC-2011-293.
Плазменные масс-сепараторы
В лаборатории плазмооптики проводится цикл исследований, посвященный плазмоопической масс-сепарации. Плазмооптический масс-сепаратор конструктивно состоит из источника плазмы, азимутатора и фокусирующего пространства. Ионы, входящие в состав плазменного пучка, в азимутаторе приобретают азимутальную компоненту скорости, зависящую от их массы. В фокусирующем пространстве происходит фокусировка по азимутальной скорости. В настоящее время в модельном эксперименте достигнуто разделение по массам компонент воздуха.
Плазменные ловушки.
Удержание высокотемпературной плазмы является ключевой проблемой управляемого термоядерного синтеза (УТС). В настоящее время существует два способа удержания: первый - инерциальный, например, с инициированием реакции с помощью лазера, второй - удержание магнитным полем. Подавление конвективной неустойчивости является главной проблемой в системах с магнитным удержанием плазмы и накладывает ограничения на величину. Величина является отношением плазменного давления к давлению магнитного поля, удерживающего плазму β, и может рассматриваться как КПД магнитного удержания. Поэтому плазменные системы с высоким будут обязательно затребованы в УТС.
Сегодня наиболее вероятными кандидатами на роль идеальных ловушек с β ~1 представляются магнитные баллоны-галатеи, в которых плазма окружена со всех сторон магнитным барьером. Достоинством таких систем - магнитных баллонов - является автоматическое подавление конвективных неустойчивостей (вызванных диамагнетизмом плазмы), которые существуют во всех других традиционных ловушках (токамаках, стеллараторах и т.д.). Актуальность изучения ловушек с большим β обусловлена также и тем, что затраты на строительство и эксплуатацию термоядерного реактора по этой схеме значительно ниже, чем затраты на реакторы традиционных схем. Исследования тороидальных мультипольных галатей (квадрупольных и октупольных), выполненные в МИРЭА в 1990-е годы [1,2], подтверждают реализуемость указанных условий, в том числе, классический характер переносов.
Процесс заполнения плазмой - один из самых сложных этапов вывода на рабочий режим подобных ловушек, так как в магнитной корке ловушек принципиально нет щелей, а возбуждение в таких ловушках токового кольца, как это происходит в токамаке, принципиально невозможно из-за наличия катушек, погруженных в плазму.
3.jpg Свечение удерживаемой плазмы в ловушке Галатее

Для наполнения ловушки плазмой в МИРЭА был создан и отлажен инжекционный комплекс (2000-2003г.г.), состоящий из пушки и плазмовода. На первом этапе было выполнено всесторонне исследование процесса захвата и удержания плазмы в ловушке-галатее "Тримикс" медленными сгустками водородной плазмы, позволившее выявить основные физические закономерности и особенности этого процесса [3,4]. В настоящее время модернизированная система пушка - ловушка "Тримикс - М" позволила осуществить захват в ловушку сгустков водородной плазмы с энергией ионов ~100эВ. Это привело к повышению параметров плазмы в ловушке до величин: температура электронов (Те) и ионов (Тi) ~ 20эВ, концентрация электронов (ne ) ~ 1013 см-3, энергосодержание плазмы ~ 110Дж, β ~ 0,2. Время удержания плазмы ловушкой при величине барьерного поля Вбар.=0,1 Тл составило р = 300мкс. Характер времени удержания плазмы в ловушке соответствует классическим коэффициентам переноса.
В 2005 году была усовершенствована система ввода высокоэнергетичных ионов водорода в ловушку, что позволило исследовать время удержания плазмы с температурой ионов до 300 В [5,6]. В настоящий момент закончена модернизация ловушки, которая позволит одновременно с инжекцией плазменных сгустков в ловушку производить нагрев электронов с помощью ввода СВЧ – мощности. Работы по данному направлению выполнялись по контрактам с Росатомом, были поддержаны грантами Минобрнауки и Росатома. В настоящее время работа проводится по контракту с Минобрнауки в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. В них принимают участие студенты и аспиранты МИРЭА и МИФИ.

Основные работы, опубликованные по результатам исследований:
  • Морозов А.И., Савельев В.В. "О галатеях-ловушках с погруженными в плазму проводниками"// "Успехи физических наук", 1998г., т.168, №11, стр. 1153-1194.
  • Морозов А.И., Бугрова А.И., Бишаев А.М., Невровский В.А. "Электро-разрядная ловушка-галатея "Октуполь"" // "Письма в ЖТФ", 1999г., том 25, вып.17, стр.57-61.
  • Морозов А.И. "Экспериментальные исследования плазменных ловушек-галатей в МИРЭА" // "Вопросы атомной науки и техники", сер. "Термоядерный синтез", 2000г., вып.3, стр. 57-63.
  • Морозов А.И., Бугрова А.И., Бишаев А.М., Козинцева М.В., Липатов А.С., Васильев В.И., Струнников В.М. "Инжекция плазмы в Галатею "Тримикс" // "Физика плазмы", 2006 г., т.32, №3, стр.195-206.
  • Морозов А.И., Бугрова А.И., Бишаев А.М., Козинцева М.В., Липатов А.С. "Динамика захвата и удержания плазмы в Галатее "Тримикс"" // "Письма в ЖТФ", 2006 г., том 32, вып.1, стр.65-70.
  • Бишаев А.М., Бугрова А.И., Козинцева М.В., Липатов А.С., Сигов А.С. и Харчевников В.К. «Исследование времени удержания плазмы в мультипольной магнитной ловушке-галатее «Тримикс – М»// Письма в ЖТФ, 2010 г., том 36, выпуск 10, стр. 91-94.
  • Бишаев А.М., Бугров Г.Э., Денисюк А.И., Козинцева М.В., Тарелкин И.А., Харчевников В.К. “Экспериментальное исследование нагрева плазмы с помощью СВЧ устройства в мультипольной магнитной ловушке Тримикс-3М (СВЧ)” // 10-я Международная конференция «АВИАЦИЯ И КОСМОНАВТИКА - 2011», г. Москва, МАИ, 8-10 ноября 2011г., Тезисы докладов, стр.133-134.
Система Orphus