П падение тела

Вид материала

Документы

Содержание Механизм ускорения. П. у. с собственным магн. полем. Рис. 4. Схема торцевого магнптоплазменного ускорителя: ДВ— диэлектрич. вставка; КМП — катушка магн. поля; РВ — рабо­чее вещество П. у. с внешним магнитным полем. Плазменный катод Плазменный фокус Схемы разрядных камер. Плазма. Н. В. Филиппов, Т. И. Филиппова. Лазерная плазма). В. Николаев, Л. М. Сорокин. Тепловое излучение.

Подобный материал:

• Тема «кинематика материальной точки», 29.33kb.
• Урок изучения новых знаний в 9-м классе по теме: "Свободное падение тел", 145.66kb.
• Программа вступительных испытаний по физике механика, 48.4kb.
• Тема: строение тела животных, 47.92kb.
• Конспект урока физики в 7 классе Тема : Вес тела, 40.5kb.
• Тема. Малые тела Солнечной системы, 383.39kb.
• Книга о душе, 521.77kb.
• Владимир Данченко принципиальные вопросы общей теории чакр и тантрическая концепция, 1664.57kb.
• Беседа – лекция. Прием наркотика – всегда полет, но в конце – всегда падение, 76.9kb.
• Беседа – лекция. Прием наркотика – всегда полет, но в конце – всегда падение, 83.01kb.

Механизм ускорения. При анализе рабочего процесса в П. у. плазму мож­но рассматривать и как сплошную сре­ду, и как совокупность ч-ц (ионов и эл-нов). В рамках первого подхода ускорение плазмы обусловлено пере­падом полного (ионного и электрон­ного) давления р=р_i+р_е и действием силы Ампера f_амп (см. Ампера закон), возникающей при вз-ствии токов, те­кущих в плазме с магн. полем f_amп ~[jB], где,j— плотность тока в плаз­ме, В — индукция магн. поля.

В рамках второго подхода ускоре­ние ионов объясняется: 1) действием электрич. поля E, существующего в плазменном объёме; 2) столкновения­ми направленного потока эл-нов с ио­нами («электронного ветра»); 3) столк­новениями 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 П. у. Они делятся на т е п л о в ы е и э л е к т р о м а г н и т н ы е в зависимости от то­го, преобладает ли в процессе ускоре­ния перепад полного давления р или сила Ампера.

Среди тепловых ГГ. у. осн. интерес представляют н е и з о т е р м и ч е с к и е ускорители, в к-рых p_e>>p_i. Конструктивно стационарный неизотермич. П. у. представляет собой «магн. сопло», в к-ром либо путём инжекции быстрых эл-нов, либо путём электронного циклотронного резонанса создают плазму с «горячими» эл-нами (Т_е~10⁷—10⁹ К или в энергетич. еди­ницах: kT_e~10³—10⁵ эВ). Эл-ны, стре­мясь покинуть камеру, создают объём­ные заряды (без нарушения квазинейт­ральности!), электрич. поле к-рых «вы­тягивает» (ускоряет) ионы, сообщая им энергию порядка kT_e.

Электромагн. П. у. подразделяются по характеру подвода энергии к плаз­ме на 3 класса: а) радиационные ускорители, в к-рых ускорение плазменного потока происходит за счёт давления электромагн. волны, па­дающей на плазменный сгусток (рис. 2, а); б) и н д у к ц и о н н ы е ускорители — импульсные системы, в к-рых внешнее нарастающее магн. по­ле В индуцирует ток j в плазменном кольце (рис. 2, б). Вз-ствие этого тока с радиальной составляющей внеш. магн. поля создаёт силу Ампера, к-рая и ускоряет плазменное кольцо;



Рис. 2. а — схема радиац. плазменного ус­корителя: КМП — катушки магн. поля; В— волновод; Л — плазменный сгусток; ЭВ — электромагн. волна; б — схема индукц. плаз­менного ускорителя: В — магн. поле; ПК— плазменное кольцо; ИК — индукционная катушка.


в) электродные П. у., в к-рых существует непосредственный контакт ускоряемой плазмы с электродами, подключёнными к источнику напряже­ния. Наиболее изученными и много­численными явл. электродные П. у., к-рые ниже рассмотрены подробнее.

П. у. с собственным магн. полем.

И м п у л ь с н ы е э л е к т р о д н ы е П. у. (п у ш к и). Первым П. у. был «рельсотрон» (рис. 3, а), питаемый конденсаторной батареей.



Рис. 3. а — схема рельсотрона; б — схема коаксиального импульсного плазменного ус­корителя. Быстродействующий клапан БК подаёт газ в зазор между внутренним ВЭ и наружным НЭ электродами (ДВ — диэлектрич. вставка между электродами).


Плазменный сгусток создаётся либо при пропускании большого тока через тонкую проволоку, натянутую между массивными электродами — рельсами Р, к-рая при этом испаряется и иони­зуется, либо за счёт ионизации газа, впрыскиваемого в межэлектродный промежуток через спец. клапан. При разряде на ток в плазменной перемычке П (достигающий десятков и сотен кА) действует собств. магн. поле электрич. контура, в результате чего за время

541


~1 мкс и происходит ускорение сгуст­ка. Позднее импульсным ускорителям был придан вид коаксиальной системы (рис. 3, б). Такие П. у. нашли широкое применение и позволяют получать сгустки со скоростями до 10⁸ см/с и общим числом ч-ц до 10²⁰.

С т а ц и о н а р н ы е с и л ь н о т о ч н ы е т о р ц е в ы е П. у. В принципе коаксиальный П. у. мож­но сделать стационарным (работающим в непрерывном режиме), если непре­рывно подавать в зазор между электро­дами рабочее в-во (ионизуемый газ). Однако вследствие Холла эффекта более эффективной оказывается «тор­цевая» схема с коротким катодом, че­рез к-рый одновременно подаётся ра­бочее в-во. Ускорение плазмы в «тор­цевом» П. у. происходит также за счёт силы Ампера. Если при постоян­ной подаче рабочего в-ва непрерывно увеличивать разрядный ток I_р, то сначала скорость истечения плазмы и кпд ускорителя будут расти. Однако при нек-ром значении I_р происходит вынос большой части разрядного тока за срез ускорителя, напряжение резко возрастает, падает кпд, в ускорителе возникают колебания. Наступает т. н. критич. режим. Его физ. причиной явл., по-видимому, пинч-эффект, в результате к-рого плазменный шнур отрывается от анода.

На нормально работающих торце­вых П. у. с собств. магн. полем при разрядных токах ок. 10⁴ А удаётся получать стационарные потоки плазмы со скоростями 50 км/с. Описанный тор­цевой П. у. становится неработоспо­собным не только при больших, но и при малых разрядных токах I_р. По­скольку сила Ампера пропорциональна I_р, при I_р<1000 А её роль в реаль­ных условиях становится меньше, чем газокинетич. давление, и торцевой П. у. превращается в обычный плазмо­трон.



Рис. 4. Схема торцевого магнптоплазменного ускорителя: ДВ— диэлектрич. вставка; КМП — катушка магн. поля; РВ — рабо­чее вещество.


Чтобы увеличить эффективность торцевого П. у. при малых мощностях, в рабочем канале создают внеш. магн. поле (рис. 4). Получающийся П. у. наз. торцевым холловским ускорите­лем, или м а г н и т о-п л а з м е н н ы м ускорителем. Он позволяет по­лучать потоки плазмы со скоростями в десятки км/с при мощности S10 кВт. Замечат. особенность торцевых П. у.— способность создавать по­токи ч-ц с энергией, в неск. раз превос­ходящей приложенную разность по­тенциалов. Это объясняется увлечени­ем ионов электронным потоком, иду­щим из катода («электронным вет­ром»).

П. у. с внешним магнитным полем. Если требуется получать стационар­ные потоки малой мощности (100 Вт) или потоки ч-ц с большими скоростя­ми (10⁸см/с), особенно удобными ока­зываются т. н. П. у. «с з а м к н у т ы м д р е й ф о м», один из видов к-рых схематически изображён на



Рис. 5. Схема плазменного- ускорителя с замкнутым дрейфом. Магн. поле H создаёт­ся магнитопроводом МПр и катушками КМП.


рис. 5. Если между анодом и катодом КК приложить разность потенциалов, то эл-ны начнут дрейфовать перпенди­кулярно электрич. E и магн. Н полям, описывая кривые, близкие к циклоиде. Длина ускорительного канала L вы­бирается так, чтобы высота электрон­ной циклоиды h_e была много меньше L (L>>h_e). В этом случае говорят, что эл-ны «замагничены». Высота ионной циклоиды h_i в силу большой массы (M_i) иона в М_i/m_е раз превосходит h_e (m_e — масса эл-на). Поэтому, если сделать длину канала L много меньше hi, то ионы будут слабо отклоняться магн. полем и под действием электрич. поля будут ускоряться практически по прямой линии. Энергия, набирае­мая ионами в таком ускорителе, близ­ка к разности потенциалов, приложен­ной между анодом и катодом, умно­женной на заряд иона, а разрядный ток близок току ускоренных ионов. В це­лом описываемый П. у. работает след. образом. Ускоряемый газ поступает через анод в кольцевой ускорительный канал УК (рис. 5). Здесь в облаке дрейфующих эл-нов нейтральные ато­мы ионизуются. Возникший при иони­зации эл-н за счёт столкновений и под влиянием колебаний диффундирует на анод, а ион, ускоренный электрич. полем, покидает канал. После выхода из канала ион (чтобы не нарушилась квазинейтральность) получает эл-н от катода компенсатора КК. Существует ряд модификаций П. у. с замкнутым дрейфом (с анодным слоем, однолинзовые, многолинзовые и т. п.). Эти ускорители в стационаре позволяют получать плазменные потоки с эфф.

током ионов от единиц до сотен А с энергией от 100 эВ до 10 кэВ и более.

Применения П. у. Первые П. у. по­явились в сер. 1950-х гг. и нашли при­менение как плазменные двигатели, в технологии для чистки поверхностей (методом катодного распыления), на­несения металлич. плёнок на разл. поверхности, в исследованиях по ионо­сферной аэродинамике, в термоядер­ных исследованиях (в качестве ин­жекторов плазмы), плазмохимии и т. д.

• Плазменные ускорители, под ред. Л. А. Арцимовича [и др.], М., 1973; Физика и при­менение плазменных ускорителей, под ред. А. И. Морозова, Минск, 1974.

А. И. Морозов.

ПЛАЗМЕННЫЙ КАТОД, плазма вспомогат. разряда или плазменный слой на катоде спец. конфигурации (напр., в виде острия или набора острий), служащие в кач-ве эмиттеров эл-нов в осн. разряде. П. к. обладает рядом особенностей, представляющих технич. интерес (повыш. эмиссионной способностью, стабилизирующими св-вами и т. д.).

• Крейндель Ю. Е., Плазменные ис­точники электронов, М., 1977.

В. Н. Колесников.

ПЛАЗМЕННЫЙ ФОКУС, нестацио­нарный сгусток плотной, высокотем­пературной дейтериевой плазмы, слу­жащий локализованным источником нейтронов и жёстких излучений. П. ф. образуется в области кумуляции токо­вой оболочки на оси газоразрядной ка­меры в случае т. н. нецилиндрич. сжа­тия z-пинча. При пинч-эффекте со­здание, нагрев и термоизоляция плазменного столба происходят за счёт текущего через плазму тока него собств. магн. поля. Попытки поднять нейтронную эмиссию z-пинча путём увеличения мощности установок ока­зались неудачными: попадающие в плазму со стенок камеры примесные атомы увеличивали потери на излу­чение, возникающие пристеночные пробои шунтировали ток через плаз­менный столб, а развивающиеся неус­тойчивости, в частности «перетяжки» (неодновременное сжатие пинча по высоте), разрушали плазменный шнур как целое.

Изменения геометрии разрядной ка­меры, предпринятые впервые в кон. 50-х гг. в СССР, а затем в США, долж­ны были помочь преодолеть осн. недо­статки линейных пинчей. На рис. по­казаны схемы разрядных камер, пред­назначенных для получения П. ф.: а — с использованием геометрии коак­сиального ускорителя (США); б — с плоской геометрией электродов (СССР). Здесь корпус камеры служит катодом (2); введённый через изолятор (3) внутренний электрод — анодом (1). Камера заполняется дейтерием, и че­рез газ осуществляется разряд мощ­ной конденсаторной батареи. Харак­терная величина тока ~10⁶ А. Оказа­лось, что при такой геометрии камеры токовая оболочка имеет криволиней­ную (нецилиндрич.) форму. Под дав­лением магн. поля образующаяся у изолятора токовая оболочка движется

542




Схемы разрядных камер.


сначала наружу, к боковым стенкам каморы, и вверх, затем токовый слой приобретает форму воронки со сжима­ющейся к оси горловиной (перетяж­кой), скользящей по поверхности ано­да. Сжатие перетяжки сопровождается частичным вытеканием в-ва вдоль оси. В результате выброса массы на огра­ниченном по высоте участке пинча удаётся резко повысить степень сжатия по радиусу, что увеличивает концен­трацию энергии в единице объёма плазмы. Локализованная в зоне сжа­тия плазма объёмом в неск. мм³ имеет плотность 10¹⁸—10²⁰ см^-3 при тем­пературе (5—6) •10⁷ К и времени жизни ~10^-7 с.

Физ. процессы, происходящие в зоне П. ф., сложны и разнообразны. Это, в частности, развитие макро- и микронеустойчивостей, генерация мощных (до 10¹¹—10¹² Вт) электронных и ион­ных пучков, нейтронных потоков (до 2•10¹² н/имп) и эл.-магн. излучения «т радиоволн до жёсткого рентгенов­ского.

Установки с П. ф. могут использо­ваться в плазменных исследованиях, как источники нейтронов и жёстких излучений для решения ряда научно-технич. задач: материаловедч. и блан­кетных испытаний для управляемого термоядерного синтеза; импульсного активационного анализа короткоживущих изотопов; нейтронной терапии; накачки лазерных сред; изуче­ния высокоионизованных ионов; вз-ствия мощных пучков с плазмой и т. д.

• См. лит. при ст. Плазма.

Н. В. Филиппов, Т. И. Филиппова.

ПЛАЗМОН, квазичастица, описываю­щая колебания эл-нов вокруг тяжёлых ионов в плазме, в частности в плазме твёрдых тел. Энергия П. ξ=ћ_L, где

_L=(4ne²/m) — плазменная часто­та. Здесь n —.концентрация эл-нов, m — масса эл-на (в твердотельной плазме — эффективная масса),

ПЛАЗМОТРОН (плазматрон, плазмен­ный генератор), газоразрядное устрой­ство для получения «низкотемператур­ной» (T10⁴ К) плазмы. Физ. исследо­вания по созданию П. начались в 10-х гг. 20 в., однако широкое использова­ние П. в пром. и лаб. практике отно­сится к кон. 50 — нач. 60-х гг., когда были разработаны эфф. способы ста­билизации дугового и высокочастот­ного разряда.

Дуговой П. постоянного тока состоит из след. осн. узлов: электро­дов, разрядной камеры и узла подачи ллазмообразующего в-ва; разрядная камера может быть совмещена с элек­тродами — т. н. П. с полым катодом (см. Разряд с полым катодом). Дуговые П., работающие на переменном на­пряжении, используются реже. Су­ществуют дуговые П. с осевым и коак­сиальным расположением электродов, с тороидальными электродами, с дву­сторонним истечением плазмы, с рас­ходуемыми электродами и т. д. (рис. 1).

Различают две группы дуговых П.— для создания плазменной с т р у и и п л а з м е н н о й д у г и.



Рис. 1. Схемы дуговых плазмотронов: а — с внешней плазменной дугой: б — струйный; .1 — источник электропитания; 2 — разряд: 3 — плазменная струя; 4 — электрод; 5 — разрядная камера; 6 — обрабатываемое тело.


В П. 1-й группы плазма, создаваемая в разряде между катодом и анодом, истекает из разрядной камеры в виде струи. В П. 2-й группы дуговой разряд горит между катодом П. и обрабаты­ваемым телом, служащим анодом.

Стабилизация разряда в дуговых П. осуществляется магн. полем, потоком газа, стенками разрядной камеры, пучком эл-нов. Один из распростра­нённых способов м а г н и т н о й с т а б и л и з а ц и и разряда плазмоструйных П. с коаксиально распо­ложенными электродами состоит в соз­дании (с помощью соленоида) перпен­дикулярного плоскости электродов сильного магн. поля, к-рое вынуждает токоведущий канал дуги непрерывно вращаться, обегая электроды. Поэтому анодные и катодные пятна дуги пере­мещаются по кругу, что предотвраща­ет расплавление электродов.

Стабилизация, теплоизоляция и об­жатие дуги может осуществляться также г а з о д и н а м и ч е с к и м с п о с о б о м: газ подаётся в разряд­ную камеру по спец. каналам, в ре­зультате чего образуется газовый вихрь, обдувающий столб дуги и гене­рируемую плазменную струю; слой холодного газа под действием центро­бежных сил располагается у стенки камеры, предохраняя её от контакта с дугой. Если не требуется сильного сжатия потока плазмы (напр., в нек-рых П., используемых для плавки ме­талла), стабилизирующий газовый по­ток не закручивают, а направляют его параллельно столбу дуги. Как прави­ло, стабилизирующий газ явл. и плазмообразующим в-вом. Применяют так­же стабилизацию и обжатие дуги потоком воды.

Плазма дуговых П. неизбежно со­держит ч-цы в-ва электродов вследст­вие их эрозии. Когда этот процесс полезен, его интенсифицируют (П. с расходуемыми электродами); в др. случаях, наоборот, электроды изготов­ляют из тугоплавких металлов.

Плазмоструйные П. используют при термич. обработке металлов, для нане­сения покрытий, в спектроскопии и пр.; плазменнодуговые П. служат для обработки электропроводных матери­алов (сварка, резка, плавка и т. д.).

Мощности дуговых П. 10²—10⁷ Вт; темп-pa струи на срезе сопла 3000— 25000 К; скорость истечения струп 1 —10⁴ м/с; промышленный кпд 50— 90%.

Энергия электромагн. поля (низкой частоты 10²—10⁴ Гц) может быть вве­дена в плазму разряда индукционным безэлектродным способом (см. Безэлек­тродный разряд). На этом принципе разрабатываются т р а н с ф о р м а т о р н ы е П.

В ы с о к о ч а с т о т н ы й П. вклю­чает: электромагн. катушку, индуктор или электроды, подключённые к ис­точнику ВЧ энергии, разрядную каме­ру, узел ввода плазмообразующего в-ва. Различают ВЧ П. индукционные, ёмкостные, факельные (см. Факельный разряд), П. на коронном разряде и с

к о р о н о й в ы с о к о ч а с т о т н о й, а также СВЧ П. (рис. 2).




Рис. 2. Схемы ВЧ плазмотронов: а — индук­ционный; б — сверхвысокочастотный; 1 — источник электропитания; 2 — разряд; 3 — плазменная струя; 4 — индуктор; 5 — раз­рядная камера; 6 — волновод.


Наи­большее распространение в технике получили ВЧ индукционные (ВЧИ) П., в к-рых плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами (харак­терные частоты ~10⁴—10⁷ Гц). Т. к. ВЧИ-разряд явл. безэлектродным, эти

543


П. используют, если к плазменной струе предъявляются высокие требова­ния по чистоте. С помощью ВЧИ П. получают тонкодисперсные и особо чистые порошковые материалы. Мощ­ность П. достигает 10⁶ Вт, темп-pa в центре разрядной камеры и на началь­ном участке плазменной струи ~10⁴ К, скорость истечения плазмы до 10³ м/с, пром. кпд ~50—80%. ВЧ П. всех ти­пов, кроме ВЧИ, применяются гл. обр. в лаб. практике. В ВЧ П., как и в ду­говых, часто используют газовую «за­крутку», изолирующую разряд от сте­нок камеры. Это позволяет изготов­лять камеры ВЧ П. из материалов с низкой термостойкостью.

В 80-е гг. 20 в. ведутся разработки П., использующих для генерации плаз­мы поля оптич. частоты (см. Лазерная плазма).

• Генераторы низкотемпературной плазмы, ., 1969; Жуков М. Ф., Смоляков В. Я., У р ю к о в Б. А., Электродуговые нагреватели газа (Плазмотроны), М., 1973; Райзер Ю. П., Лазерная искра и рас­пространение разрядов, М., 1974.

А В. Николаев, Л. М. Сорокин.

ПЛАНКА ЗАКОН ИЗЛУЧЕНИЯ (формула Планка), закон распределе­ния энергии в спектре равновесного из­лучения при определённой темп-ре Т. Был впервые выведен нем. физиком М. Планком (М. Planck) в 1900 на ос­нове гипотезы о том, что энергия ис­пускается дискр. порциями — кванта­ми. П. з. и. даёт спектр. зависимость (зависимость от частоты v или длины волны =c/v) объёмной плотности из­лучения  (энергии излучения в ед. объёма) и пропорциональную ей испускат. способность абсолютно чёрного тела u=¹/₄c (энергии излучения, ис­пускаемой ед. его поверхности за ед. времени). Функции _{v, T} и u_{v, T} (или _,T и u_,T) отнесённые к ед. интер­вала частот (или длин волн), явл. уни­версальными функциями от v (или ) и Т, не зависящими от природы в-ва, с к-рыми излучение находится в рав­новесии.

П. з. и. выражается ф-лой:



Вид ф-ции (2) для разных темп-р пока­зан на рис., максимум ф-ции с ростом Т смещается в сторону малых .

Из П. з. и. вытекают др. законы равновесного излучения. Интегриро­вание по v (или ), от 0 до  даёт значения полной объёмной плотности излучения по всем частотам — Стефа­на — Больцмана закон излучения:



и полной испускат. способности чёр­ного тела:



В области больших частот энергия фотона много больше тепловой энер­гии (hv>>kT) и П. з. и. переходит в Вина закон излучения; _v,T= (8hv³/c³)exp(-hv/kT), в области малых частот (kT>>hv) — в Рэлея — Джинса закон излучения: _v,T=(8v²/c³)kT, к-рые, т. о., представляют собой пре­дельные случаи П. з. и.




П. з. и. находится в согласии с эксперим. данными. С его помощью ока­залось возможным вычислить значения h и k. На его основе с помощью пиро­метров можно определять темп-ру нагретых тел (напр., поверхности звёзд). При T>2000 К единств. на­дёжное определение темп-ры основано на законах излучения чёрного тела и Кирхгофа законе излучения. П. 3. и. используют при расчётах источников света.

П. з. и. был получен теоретически А. Эйнштейном в 1916 путём рассмот­рения квант. переходов для атомов, находящихся в равновесии с излуче­нием. Он явл. частным случаем распре­деления Бозе — Эйнштейна для ч-ц с нулевой массой — фотонов (см. Бозе — Эйнштейна статистика).

•Сивухин Д. В., Общий куре физи­ки, Оптика, М., 1980; Борн М., Атомная физика, М., 1965. См. также лит. при ст. Тепловое излучение.

М. А. Елъяшевич.