Устройство для осуществления пинча на основе поверхностного разряда (варианты)

 

Изобретение относится к технике высокотемпературной плазмы и может быть использовано при разработке устройств для осуществления пинча с целью генерирования, например, мощных импульсов рентгеновского излучения. Устройство для осуществления пинча на основе поверхностного разряда содержит электроды, разделенные изолятором, и импульсный источник питания, подключенный к электродам. Изолятор выполнен в виде двугранного угла с раскрывом в направлении импульсного источника питания, а электроды расположены на гранях двугранного угла и проходят вдоль линий, пересекающихся на его ребре. По второму варианту изолятор выполнен в виде четырехгранного угла с раскрывом в направлении импульсного источника питания, а электроды расположены на противоположных гранях четырехгранного угла и при этом касаются смежных ребер. В первом варианте - на каждом электроде выполнена пара острых выступов, находящихся внутри двухгранного угла и расположенных на разных гранях этого угла так, что каждый выступ направлен своим острием навстречу тому выступу другого электрода, который расположен с ним на одной грани угла, а во втором варианте - на каждом электроде выполнена пара острых выступов, находящихся внутри четырехгранного угла и расположенных на противоположных гранях этого угла, смежных тем, на которых расположены сами электроды так, что каждый выступ направлен своим острием навстречу тому выступу другого электрода, который расположен с ним на одной грани угла. Технический результат: исключение развития изгибной и змейковой неустойчивостей. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике высокотемпературной плазмы и может быть использовано при разработке устройств для осуществления пинча с целью генерирования, например, мощных импульсов рентгеновского излучения.

Известно устройство для осуществления Z-пинча, представляющее собой герметичную цилиндрическую газоразрядную камеру, на торцах которой установлены электроды, подключенные к импульсному источнику электропитания (см. рис. 37 из [1. Л.А.Арцимович. Управляемые термоядерные реакции. М.: Физматгиз, 1961] ). В камеру предварительно закачивается газ или смесь газов определенного сорта. При включении источника питания в камере происходит объемная ионизация, образуется столб токонесущей плазмы, собственное азимутальное магнитное поле которой оказывает на плазму сжимающее к оси разряда действие. В момент максимального сжатия происходит сильный разогрев плазмы, что приводит к генерации рентгеновского излучения.

Однако в процессе сжатия плазменный столб подвержен различным неустойчивостям, например, так называемым изгибной и змейковой неустойчивостям (см. рис. 80 [1] ). Эти неустойчивости приводят к срыву пинча. Известны также методы частичной стабилизации этих неустойчивостей: наложение на плазменный столб продольного магнитного поля или использование металлической разрядной камеры (см. с. 223-224 [1]). Но эти методы стабилизации не являются полными, так как они действенны для ограниченных диапазонов масштаба (или характерной длины волны) первоначального возмущения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство для осуществления пинча на основе поверхностного разряда, содержащее электроды, разделенные изолятором, и импульсный источник питания, подключенный к электродам [2. Андреев С.И., Байков О.Г., Дашук П.Н., Попов П. Г. Исследование сильноточных самосжимающихся разрядов в ксеноне. Z-пинч, ЖТФ, 1977, т. 47, 6, с. 1205-1212]. В этом устройстве изолятор выполнен в виде полого кругового цилиндра из диэлектрика, а электроды установлены с противоположных торцов изолятора и выступают внутрь нее, при этом вдоль внешней поверхности изолятора пропущен обратный токопровод, электрически связанный с одним из электродов и имеющий вид полого кругового металлического цилиндра, коаксиального изолятору, а другой электрод и обратный токопровод подключены к импульсному источнику электропитания. Здесь изолятор выполняет также роль плазмообразующего элемента, вдоль поверхности которого создается поверхностный разряд. После этого в этом устройстве формируется сплошная цилиндрическая плазменная оболочка поверхностного разряда на внутренней поверхности изолятора и осуществлен Z-пинч плазмы поверхностного разряда при схлопывании плазменной оболочки к оси устройства.

Устройство [2] выбрано нами за прототип. Его недостатком является отсутствие средств стабилизации изгибной и змейковой неустойчивостей. Это приводит к тому, что в некоторых режимах работы возможно нарушение и срыв пинчевания.

В связи с этим ставится техническая задача - снижение опасности развития изгибной и змейковой неустойчивостей пинча.

Техническим результатом предлагаемого решения является исключение опасности развития изгибной и змейковой неустойчивостей пинча в устройстве на основе поверхностного разряда, что должно повысить в свою очередь надежность и повторяемость работы устройства от импульса к импульсу.

Этот результат достижим в двух вариантах устройства одного и того же назначения - устройства для осуществления пинча на основе поверхностного разряда.

Технический результат в устройстве для осуществления пинча на основе поверхностного разряда по первому варианту достигается тем, что в отличие от прототипа, содержащего электроды, разделенные изолятором, и импульсный источник питания, подключенный к электродам, в предлагаемом устройстве изолятор выполнен в виде двугранного угла с раскрывом в направлении импульсного источника питания, а электроды расположены на гранях двугранного угла и проходят вдоль линий, пересекающихся на его ребре. Дополнительным отличием является то, что на каждом электроде выполнена пара острых выступов, находящихся внутри двугранного угла и расположенных на разных гранях этого угла так, что каждый выступ направлен своим острием навстречу тому выступу другого электрода, который расположен с ним на одной грани угла.

Технический результат в устройстве для осуществления пинча на основе поверхностного разряда по второму варианту достигается тем, что в отличие от того же прототипа, содержащего электроды, разделенные изолятором, и импульсный источник питания, подключенный к электродам, в предлагаемом устройстве изолятор выполнен в виде четырехгранного угла с раскрывом в направлении импульсного источника питания, а электроды расположены на противоположных гранях четырехгранного угла и при этом касаются смежных ребер. Дополнительным отличием является то, что на каждом электроде выполнены пара острых выступов, находящихся внутри четырехгранного угла и расположенных на противоположных гранях этого угла, смежных тем, на которых расположены сами электроды так, что каждый выступ направлен своим острием навстречу тому выступу другого электрода, который расположен с ним на одной грани угла.

Хотя в двух вариантах предлагаемого устройства используются различные геометрические формы изолятора, принцип действия устройства в обоих случаях одинаков. Поэтому оба варианта объединены в единое изобретение.

Принцип действия устройства основан на создании поверхностного разряда вдоль изолятора так, чтобы собственное магнитное поле разряда прижимало бы каналы разряда к поверхности изолятора и заставляло их перемещаться под действием силы Ампера вдоль поверхности к ребру (или к ребрам) изолятора и в последующем локализовываться в ребре двугранного угла (по первому варианту) или в ребрах и вершине четырехгранного угла (по второму варианту).

Таким образом, для реализации этого принципа необходимо, чтобы изолятор имел элементы локализации разряда (ребро или ребра и вершину), и, кроме того, источник питания должен находится внутри угла, который образует изолятор, и электроды расположены так, как указано в формуле изобретения, для того, чтобы сила Ампера, действующая на каналы разряда, заставляла бы их двигаться к элементам локализации в изоляторе.

Наибольший выход рентгеновского излучения достижим в режиме, когда по противоположным граням изолятора бегут, ускоряясь, два канала разряда, которые достигают элемента локализации одновременно. Для этого в изоляторе необходимо предусмотреть элементы инициирования разряда в виде острых выступов и расположить их по разные стороны от элементов локализации. Таким образом, согласно формуле изобретения каждый электрод имеет по два выступа, находящихся по разные стороны от ребра двугранного угла или вершины четырехгранного угла.

Так как каждый разряд движется по жесткой поверхности изолятора, прижимаясь к ней, то развитие змейковой неустойчивости исключено: канал разряда будет оставаться плоским. При достижении элемента локализации разряд будет целиком находиться в жестких ребрах углов, что исключает также и изгибную неустойчивость. Здесь возможно развитие только неустойчивости перетяжки, однако эта неустойчивость не является вредной, так как перетяжка приводит к резкому обрыву разрядного тока, возникновению больших локальных электрических полей в области разрыва, ускорению электронов здесь и генерации мощных импульсов жесткого рентгеновского излучения.

Устройство по первому варианту является фактически "угловым" Z-пинчом. Ему так же, как и в [1, 2], присуще то, что положение перетяжки на ребре двухгранного угла не определено и меняется от импульса к импульсу. В устройстве по второму варианту положение перетяжки определено, так как она всегда будет образовываться в вершине четырехгранного угла. Это обстоятельство роднит устройство по второму варианту с известным устройством для осуществления Х-пинча на основе двух или более перекрещивающихся взрывающихся проволочек [3. Иваненков Г. В. , Мингалеев А.Р., Пикуз С.А. и др. Экспериментальное изучение динамики Х-пинча. Физика плазмы, 1996, т. 22, 5, с. 403-418].

На фиг.1 показан пример выполнения устройства для осуществления пинча на основе поверхностного разряда согласно первому варианту с изолятором в форме двугранного угла, а на фиг.2 - пример устройства согласно второму варианту с изолятором в форме четырехгранного угла.

Устройство для осуществления пинча на основе поверхностного разряда по первому варианту содержит электроды 2, разделенные изолятором 4, и импульсный источник питания 1, подключенный к электродам 2, при этом изолятор 4 выполнен в виде двугранного угла с раскрывом в направлении импульсного источника питания 1, а электроды 2 расположены на гранях двугранного угла и проходят вдоль линий, пересекающихся на его ребре. На каждом электроде 2 выполнена пара острых выступов 3, находящихся внутри двугранного угла и расположенных на разных гранях этого угла так, что каждый выступ 3 направлен своим острием навстречу тому выступу 3 другого электрода 2, который расположен с ним на одной грани.

Устройство для осуществления пинча на основе поверхностного разряда по второму варианту содержит электроды 2, разделенные изолятором 4, и импульсный источник питания 1, подключенный к электродам 2, при этом изолятор 4 выполнен в виде в виде четырехгранного угла с раскрывом в направлении импульсного источника питания 1, а электроды 2 расположены на противоположных гранях четырехгранного угла и при этом касаются смежных ребер. На каждом электроде 2 выполнена пара острых выступов 3, находящих внутри четырехгранного угла и расположенных на противоположных гранях этого угла, смежных тем, на которых расположены сами электроды 2 так, что каждый выступ 3 направлен своим острием навстречу тому выступу 3 другого электрода 2, который расположен с ним на одной грани угла.

Устройство по обоим вариантам целиком или частично (например, только электроды 2 и изолятор 4) может располагаться в герметичной камере произвольной формы и размеров, внутрь которой закачивают газ или смесь газов необходимого состава или давления. В случае же, когда необходим высокий вакуум (например, в условиях космического пространства) или воздух атмосферного давления (например, в лабораторных условиях) необходимость в камере отпадает.

В качестве источника питания 1 устройства могут быть использованы, например, конденсаторная батарея или взрывомагнитный генератор, снабженные традиционными средствами коммутации и синхронизации. Изолятор 4 может быть выполнен из тонких диэлектрических пластин, например текстолита, ситалла, стекла, сегнетоэлектрической керамики и т.п. Электроды 2 выполняются металлическими, например, методом напыления, вжигания или в виде отдельных деталей. При многократном и импульсно-периодическом использовании устройства рекомендуется применять высокотемпературные огнеупорные керамические материалы (например, технический фарфор) для изолятора 4 и тугоплавкие металлы (например, вольфрам или тантал) и сплавы для электродов 2. Острые выступы 3 рекомендуется перед каждым импульсом заострять.

Работает устройство по обоим вариантам следующим образом. При коммутации источника питания 1 развивается канал разряда между теми двумя острыми выступами 3 электродов 2, которые находятся на одной грани изолятора 4. Если таких выступов имеется две пары, то одновременно развиваются два канала разряда. Под действием магнитной силы Ампера каналы начинают двигаться в сторону ребра изолятора 4 (фиг.1) или в сторону вершины угла изолятора 4 (фиг.2), затекая в его ребра. Далее при схлопывании каналов разряд полностью локализуется в ребре двухгранного угла изолятора в устройстве по первому варианту или в вершине и ребрах в устройстве по второму варианту. После локализации в канале происходит перетяжка, приводящая к излучению жесткого рентгеновского излучения. В устройстве фиг.1 перетяжка возникает в произвольном месте ребра двугранного угла, а в устройстве фиг.2 - в вершине четырехгранного ребра.

Синхронизация движения двух каналов разряда с тем, чтобы они одновременно пришли к элементу локализации, не вызывает технических трудностей. Эта задача решена, например, в устройстве с Z-пинчем с программированной запиткой током двух плазменных лайнеров [4. Русских А.Г., Бакшт Р.Б., Лабецкий А. Ю. и др. Исследование влияния предыонизации на динамику сжатия одно- и двухкаскадного Аr лайнера. Физика плазмы, 1999, т. 25, 7, с. 579-592].

Укажем, что предлагаемое устройство работоспособно и в одноканальном режиме, когда один канал разряда локализуется в ребре или вершине.

Как уже указывалось, жесткость изолятора 4 не позволяет развиваться изгибной и змейковой неустойчивостям, что позволяет утверждать о решении поставленной технической задачи.

Формула изобретения

1. Устройство для осуществления пинча на основе поверхностного разряда, содержащее электроды, разделенные изолятором, и импульсный источник питания, подключенный к электродам, отличающееся тем, что изолятор выполнен в виде двугранного угла с раскрывом в направлении импульсного источника питания, а электроды расположены на гранях двугранного угла и проходят вдоль линий, пересекающихся на его ребре.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на каждом электроде выполнена пара острых выступов, находящихся внутри двугранного угла и расположенных на разных гранях этого угла так, что каждый выступ направлен своим острием навстречу тому выступу другого электрода, который расположен с ним на одной грани угла.

3. Устройство для осуществления пинча на основе поверхностного разряда, содержащее электроды, разделенные изолятором, и импульсный источник питания, подключенный к электродам, отличающееся тем, что изолятор выполнен в виде четырехгранного угла с раскрывом в направлении импульсного источника питания, а электроды расположены на противоположных гранях четырехгранного угла и при этом касаются смежных ребер.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что на каждом электроде выполнена пара острых выступов, находящихся внутри четырехгранного угла и расположенных на противоположных гранях этого угла, смежных тем, на которых расположены сами электроды так, что каждый выступ направлен своим острием навстречу тому выступу другого электрода, который расположен с ним на одной грани угла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2