Ускоритель плазмы

 

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к плазменным ускорителям, и может быть использовано для получения высокоэнергетичных плазменных струй. Ускоритель плазмы содержит источник питания, два электрода, размещенных в вакуумной камере, разделенных изолятором и подключенных к источнику питания, причем внутренний электрод выполнен в виде осесимметричного стержня, а внешний, охватывающий внутренний электрод, - в виде совокупности стержней, одним концом закрепленных на держателе, который установлен в торце камеры. Стержни внешнего электрода выполнены прямолинейными и установлены так, что один из концов каждого из этих стержней разнесен от другого конца по азимуту относительно оси внутреннего электрода на один и тот же угол ϕ из диапазона 0<ϕ<180° так, что огибающая поверхность совокупности стержней представляет собой однополостный гиперболоид вращения. Технический результат: получение устойчивой сверхзвуковой струи плазмы на выходе ускорителя. 1 ил.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к плазменным ускорителям, и может быть использовано для получения высокоэнергетичных плазменных струй.

Известен ускоритель плазмы, использовавшийся как плазменный инжектор в [1. Бабкин А. Л., Дубинов А.Е., Жданов B.C. и др. Теоретическое и экспериментальное исследование виркатора с плазменным анодом. Физика плазмы, 1997, т. 23, 4, с.343-349], содержащий источник питания, два коаксиальных электрода, размещенных в вакуумной камере и разделенных изолятором. В качестве плазмообразующего рабочего вещества в нем используется газ, который через быстродействующий клапан заполняет межэлектродное пространство. Под действием приложенного напряжения происходит пробой газа. Образованная при этом плазма под действием сил давления магнитного поля ускоряется и выводится через формирующую насадку в виде сопла Лаваля.

Однако в процессе ускорения плазма здесь подвержена различным неустойчивостям, например, так называемым изгибной и винтовой неустойчивостям, что приводит к потере энергии и срыву процесса ускорения.

Этот недостаток устраняется в ускорителе плазмы, выбранном за прототип [2. Вальков Ю. А. , Комельков B.C., Скворцов Ю.В. Коаксиальный ускоритель плазмы с импульсными азимутальными и продольными магнитными полями. Физика плазмы. М. : Атомиздат, 1967, с.51-57] и содержащем источник питания, два электрода, размещенных в вакуумной камере, разделенных изолятором и подключенных к источнику питания. Один из электродов в этом ускорителе выполнен в виде стержня, а другой - в виде закрепленных на кольце шести стержней, каждый из которых изогнут в виде винтовой цилиндрической линии с постоянным шагом так, что они образуют шестизаходную спираль, охватывающую первый электрод.

Недостатком данного ускорителя является малая скорость плазмы на его выходе и, как следствие, небольшая кинетическая энергия плазмы.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание такого ускорителя плазмы, в котором можно получить устойчивую высокоэнергетичную плазму.

Технический результат состоит в получении устойчивой сверхзвуковой струи плазмы на выходе ускорителя.

Технический результат достигается тем, что в ускорителе плазмы, содержащем источник питания, два электрода, размещенных в вакуумной камере, разделенных изолятором и подключенных к источнику питания, причем внутренний электрод выполнен в виде осесимметричного стержня, а внешний, охватывающий внутренний электрод, - в виде совокупности стержней, одним концом закрепленных на держателе, который установлен в торце камеры, в отличие от прототипа стержни внешнего электрода выполнены прямолинейными и установлены так, что один из концов каждого из этих стрежней разнесен от другого конца по азимуту относительно оси внутреннего электрода на один и тот же угол ϕ из диапазона 0<ϕ<180° так, что огибающая поверхность совокупности стержней представляет собой однополостный гиперболоид вращения.

Поясним, почему предлагаемая конфигурация электродов ускорителя позволяет достичь технический результат. Разнесение концов стержней внешнего электрода на азимутальный угол ϕ приводит к тому, что помимо азимутальной компоненты магнитное поле приобретает продольную компоненту, что, как и в [2], способствует устойчивости плазменной струи [3. Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции. М.: ГИФМЛ, 1961, с.223-224].

Кроме того, конфигурация стержней внешнего электрода в заявляемом устройстве в продольном разрезе представляет собой сопло Лаваля. В сопле Лаваля при увеличении площади поперечного сечения сопла используется весь перепад давления. Скорость плазменной струи по мере движения к узкому участку возрастает (как следствие закона Бернулли) и в самом узком сечении достигается скорость звука. А в расширяющейся части сопла и, следовательно, на выходе из ускорителя скорость будет сверхзвуковая.

Выполнение стержней внешнего электрода в виде прямых линий, а не спиралей, дополнительно приводит к обострению фронта плазменной струи, так как размер токового контура и индуктивность внешнего электрода в предлагаемом ускорителе ниже, чем в прототипе аналогичных размеров, что способствует укорочению фронта нарастания тока.

На чертеже показано заявляемое устройство в разрезе. Ускоритель плазмы содержит источник питания 1, размещенные в вакуумной камере 2 два электрода - внутренний 3 и внешний 4, разделенные изолятором 5 и подключенные к источнику питания, причем внутренний электрод 3 выполнен в виде цилиндрического стержня, а внешний 4 - совокупности стержней, одним концом закрепленных на держателе 6, установленном в торце камеры. В установке может присутствовать напускной клапан газа 7, если ускоряемая плазма получается в результате ионизации напускаемого газа. Возможно также ускорение эрозионной плазмы поверхностного разряда на изоляторе 5. В этом случае необходимость в напускном клапане 7 исчезает.

Устройство работает следующим образом.

С помощью системы напуска газа в межэлектродный зазор ускорителя напускается рабочий газ. На электроды 3 и 4 подается напряжение от источника питания 1, происходит пробой межэлектродного промежутка и образовавшаяся плазма начинает ускоряться силами магнитного давления. Конфигурация стержней внешнего электрода, используемая в ускорителе, позволяет отжать плазменные сгустки от стенок, а также ускорить их до сверхзвуковой скорости.

В примере конкретного выполнения в качестве рабочего газа может использоваться азот, ксенон, водород и др. газы. Электроды 3 и 4 выполнены из стали, изолятор 5 - из капролона, рабочее напряжение 25 кВ, ток разряда 100 кА.

Использование предложенного изобретения выгодно отличается от указанного прототипа тем, что за счет конфигурации стержней внешнего электрода уменьшение потерь частиц и энергии в процессе ускорения приводит к тому, что выходная кинетическая энергия плазмы повышается на 20-50%, кроме того, коаксиальный ускоритель плазмы позволяет ускорить плазменные сгустки до сверхзвуковой скорости.

Предполагается использование заявляемого ускорителя плазмы в качестве плазменного инжектора в плазменных размыкателях тока. Возможно также использование этого ускорителя в устройстве типа плазменный фокус.

Формула изобретения

Ускоритель плазмы, содержащий источник питания, два электрода, размещенных в вакуумной камере, разделенных изолятором и подключенных к источнику питания, причем внутренний электрод выполнен в виде осесимметричного стержня, а внешний, охватывающий внутренний электрод, - в виде совокупности стержней, одним концом закрепленных на держателе, который установлен в торце камеры, отличающийся тем, что стержни внешнего электрода выполнены прямолинейными и установлены так, что один из концов каждого из этих стержней разнесен от другого конца по азимуту относительно оси внутреннего электрода на один и тот же угол ϕ из диапазона 0<ϕ<180° так, что огибающая поверхность совокупности стержней представляет собой однополостный гиперболоид вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1