Способ и устройство для получения высокотемпературной плазмы с магнитной стабилизацией z-пинча

Изобретение относится к плазменной технике, и в частности к способам получения стабилизированной высокотемпературной плазмы, и может быть применено для построения импульсно–периодического термоядерного реактора, тепловых генераторов, а также источников импульсного нейтронного, рентгеновского и ультрафиолетового излучения. Технический результат - расширение арсенала способов и устройств для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы. В способе получения стабилизированной высокотемпературной плазмы, в котором два металлических электрода располагают с зазором, где создают импульс продольного магнитного поля, а также в течение времени действия указанного импульса магнитного поля создают импульс продольного электрического поля, с помощью которого формируют в зазоре шнур ионизированной плазмы, причем ток в нем создает магнитное поле, обеспечивающее сжатие плазменного шнура за счет эффекта импульсного z-пинча. В устройстве для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы, которое содержит импульсный источник энергии, формирователь импульса и плазменную камеру с осесимметричными электродами, причем электроды расположены с зазором на одной оси внутри плазменной камеры, а устройство также содержит соленоид и блок управления магнитным полем, выполненные с возможностью создания в зазоре импульса продольного магнитного поля, при этом импульсный источник энергии и формирователь импульса выполнены с возможностью создания в зазоре импульса продольного электрического поля, формирующего в зазоре шнур полностью ионизированной плазмы, величина тока в котором обеспечивает сжатие плазменного шнура за счет эффекта импульсного z-пинча, причем формирователь продольного импульса электрического поля синхронизован с блоком управления магнитным полем, с возможностью обеспечения формирования импульса продольного импульса электрического поля во время действия в зазоре импульса магнитного поля, сформированного с помощью соленоида и блока управления магнитным полем. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к плазменной технике, и в частности к способам получения стабилизированной высокотемпературной плазмы, и может быть применено для построения импульсно–периодического термоядерного реактора, тепловых генераторов, а также источников импульсного нейтронного, рентгеновского и ультрафиолетового излучения.

Известно устройство для получения высокотемпературной плазмы по Патенту РФ №2408171 (опубликован 27.12.2010), которое содержит импульсный источник начальной энергии, основной импульсный источник энергии, формирователь импульса и плазменную камеру с осесимметричными наружным и внутренним электродами и кольцевым зазором между ними в виде сопла Лаваля, а также обжимающую токопроводящую оболочку обеспечивающую изоляцию стенок камеры создаваемым ею полоидальным магнитным полем.

Техническим результатом, на получение которого направлена группа изобретений, является расширение арсенала способов и устройств для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы.

Технический результат достигается в способе получения стабилизированной высокотемпературной плазмы, в котором два металлических электрода располагают с зазором где, создают импульс продольного магнитного поля, а также в течение времени действия указанного импульса магнитного поля создают импульс продольного электрического поля, с помощью которого формируют в зазоре шнур ионизированной плазмы, причем ток в нем создает магнитное поле, обеспечивающее сжатие плазменного шнура за счет эффекта импульсного z-пинча.

Предпочтительно в зазоре создают шнур полностью ионизованной плазмы.

Предпочтительно чтобы импульсное продольное магнитное поле в зазоре создают однородным.

Предпочтительно металлические электроды изготавливают осесимметричными и располагают на одной оси.

В одном из вариантов выполнения шнур ионизированной плазмы формируют за счет искрового разряда.

Предпочтительно шнур ионизированной плазмы формируют за счет искрового разряда в газовой среде с давлением в диапазоне 1х10⁵Па – 2х10⁶Па.

Предпочтительно создают импульс продольного магнитного поля с амплитудой превышающей амплитуду собственного магнитного поля разряда.

Предпочтительно электроды изготавливают из Al и/или Cu и/или Fe.

Предпочтительно импульс продольного магнитного поля в зазоре создают длительностью в диапазоне от 300 до 600 мкс.

Предпочтительно импульс продольного магнитного поля в зазоре создают с амплитудой в диапазоне от 1,5х10⁷А/м до 4х10⁷А/м.

Предпочтительно импульс продольного электрического поля в зазоре создают с длительностью в диапазоне от 20 до 50 мкс.

Предпочтительно импульс продольного электрического поля в зазоре создают вблизи момента достижения максимума импульса продольного магнитного поля.

Предпочтительно импульс продольного электрического поля в зазоре создают с амплитудой в диапазоне от 2х10⁶ В/м до 7х10⁶ В/м и передним фронтом длительностью не более чем 10 нс.

В одном из вариантов исполнения процесс получения стабилизированной высокотемпературной плазмы осуществляется в импульсно-периодическом режиме с временными промежутками между импульсами в диапазоне 2 – 5 с.

Технический результат достигается также в устройстве для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы, которое содержит импульсный источник энергии, формирователь импульса и плазменную камеру с осесимметричными электродами, причем электроды расположены с зазором на одной оси внутри плазменной камеры, а устройство также содержит соленоид, и блок управления магнитным полем, выполненные с возможностью создания в зазоре импульса продольного магнитного поля, при этом импульсный источник энергии и формирователь импульса, выполнены с возможностью создания в зазоре импульса продольного электрического поля, формирующего в зазоре шнур полностью ионизированной плазмы, величина тока в котором обеспечивает сжатие плазменного шнура за счет эффекта импульсного z-пинча, причем формирователь продольного импульса электрического поля синхронизован с блоком управления магнитным полем, с возможностью обеспечения формирования импульса продольного импульса электрического поля во время действия в зазоре импульса магнитного поля, сформированного с помощью соленоида и блока управления магнитным полем.

Предпочтительно выполнение зазора между двумя металлическими электродами шириной 1 – 10 мм.

Предпочтительно выполнение металлических электродов в форме полусферических электродов Роговского.

Предпочтительно выполнение электродов из Al и/или Cu и/или Fe.

Предпочтительно выполнение соленоида, и блока управления магнитным полем, с возможностью создания в зазоре импульсного продольного магнитного поля длительностью в диапазоне от 300 до 600 мкс.

Предпочтительно выполнение соленоида, и блока управления магнитным полем, с возможностью создания импульсного продольного магнитного поля с амплитудой в диапазоне от 1,5х10⁷А/м до 4х10⁷А/м.

Предпочтительно выполнение импульсного источника энергии и формирователя импульса с возможностью создания в зазоре импульсного электрического поля с длительностью в диапазоне от 20 до 50 мкс.

Предпочтительно выполнение импульсного источника энергии и формирователя импульса с возможностью создания в зазоре импульсного электрического поля амплитудой в диапазоне от 2х10⁶ В/м до 7х10⁶ В/м и передним фронтом длительностью не более чем 10 нс.

Предпочтительно выполнение импульсного источника энергии и формирователя импульса с возможностью создания импульсного электрического поля вблизи момента достижения максимума импульса продольного магнитного поля.

В одном из вариантов исполнения устройства, оно выполнено с возможностью работы в импульсно-периодическом режиме с временными промежутками между импульсами продольного магнитного поля в диапазоне 2 – 5 с.

Предпочтительно выполнение плазменной камеры с возможностью заполнения газом под давлением 1х10⁵Па – 2х10⁶Па.

Предпочтительно выполнение плазменной камеры с возможностью освещения зазора ультрафиолетовым светом от дополнительного искрового разрядника.

Осуществление способа и работа устройства иллюстрируется рисунками на фиг.1 – фиг. 4.

На фиг. 1 приведена схема плазменной камеры с соленоидом и электродами: 1 – межвитковая текстолитовая изоляция, 2 –соленоид из бериллиевой бронзы, 3 – изоляция для вакуумного уплотнения электродов, 4 – зажимающая на резьбе эбонитовая втулка, 5 – стальной корпус камеры, 6 – текстолитовый кожух соленоида, 7 – катод, 8 – стальной бандаж соленоида, 9 – симметрично расположенные кварцевые окошки для освещения зазора ультрафиолетовым светом от дополнительного искрового разрядника, 10 – колпачки, регулирующие межэлектродное расстояние, 11 – зазор между электродами, 12 - анод.

На фиг.2 приведена осциллограмма импульса магнитного поля соленоида в зазоре с меткой, соответствующей импульсу тока в зазоре между электродами. Длительность импульса магнитного поля 500 мкс, длительность импульса электрического поля плазменного разряда 50 мкс.

На фиг.3 показано распределение магнитного поля по оси зазора 11 между электродами 12 и 7 шириной 3 мм.

На фиг. 4 представлена схема устройства, где 2 – соленоид из бериллиевой бронзы, 12 – анод, 7 – катод, 13 – шнур ионизированной плазмы, 14 – силовые линии радиального магнитного поля, создаваемого в зазоре 11 током шнура ионизированной плазмы 13 за счет эффекта импульсного z-пинча; 15 –силовые линии продольного магнитного поля, создаваемого соленоидом 2. 16 – дополнительный искровой разрядник соленоида, 17 – конденсатор питания соленоида 2, 18 – конденсаторы создающие ток в шнуре ионизированной плазмы 14 в зазоре 11 между электродами 12 и 7, 19 – плазменная камера, 20 – дополнительный искровой разрядник питания электродов 12 и 7.

Способ и устройство реализуются в конструкции, которая содержит плазменную камеру 19, в стальном корпусе 5 которой, размещен соленоид 2, витки которого изолированы межвитковой текстолитовой изоляцией 1, а по оси соленоида 2 расположены осесимметричные анод 12 и катод 7, выполненные из Al в форме полусферических электродов Роговского, зазор 11 между ними регулируется с помощью колпачков 10 вращающихся по резьбе на втулке 4 и составляет 3 мм. Соленоид изолирован с помощью текстолитового кожуха 6 от стального бандажа 8 соленоида 2, при этом в кожухе 6 и бандаже 8 выполнены каналы, а в корпусе 5 выполнены кварцевые окошки 9 для изучения развития искрового канала в зазоре 11 между электродами 12 и 7. С целью обеспечения поддержания в плазменной камере 19 давления 1х10⁵Па – 2х10⁶Па вводы электродов 12 и 7 изолированы с помощью вакуумных уплотнителей 3. Катод 7 заземлен. На анод 12 через дополнительный вакуумный разрядник 20 подключены конденсаторы 18 создающие ток в шнуре ионизированной плазмы 14 в зазоре 11 между электродами 12 и 7. Конденсаторы 18 и дополнительный вакуумный разрядник 20 образуют импульсный источник энергии, а формирователем импульса выступает собственная индуктивность разрядной цепи в режиме короткого замыкания разрядника 20, при разряде конденсаторов 18 через сопротивление плазменного шнура 13 между электродами 12 и 7. В качестве блока управления магнитным полем в устройстве используется конденсатор 17, разряжаемый на соленоид 2 через дополнительный искровой разрядник 16. При этом соленоид 2 создает в зазоре 11 импульс продольного магнитного поля 15, а ток в плазменном шнуре 13 создает в зазоре 11 радиальное магнитное поле 14, обеспечивая самосжимание плазменного шнура 13 за счет эффекта импульсного z-пинча. Формирователь продольного импульса электрического поля с помощью внешней схемы, не показанной на рисунках, синхронизован с блоком управления магнитным полем, и обеспечивает формирование продольного импульса электрического поля во время действия в зазоре импульса магнитного поля, сформированного с помощью соленоида 2 и блока управления магнитным полем.

Устройство работает при осуществлении способа следующим образом. Плазменная камера 19 откачивают и наполняют аргоном до давления 3х10⁵ Па. Конденсаторы 18 предварительно заряжают до U₀. Конденсатор 17 емкостью 1800 мкФ предварительно заряжают до напряжения 5 кВ. Начальную концентрацию ~10¹³ – 10¹⁴м^-3 электронов в зазоре 11 создают за счет предварительной ионизации газа облучением ультрафиолетовым излучением искры подсветки (не показана на рисунках), которая расположена в плазменной камере 19 сбоку на расстоянии 6 см от оси электродов 12 и 7. Продолжительность светового импульса подсветки составляет 600 нс. Через 100 - 150 нс после подсветки запускают разрядник 16 и конденсатор 17 разряжают через соленоид 2, индуктивность которого составляла 5·10^-6 Гн, за время 600 мкс. При этом в соленоиде 2 создается импульс продольного магнитного поля с напряженностью в максимуме 1,6х10⁷А/м. Распределение поля внутри зазора 11 изменяется вблизи электродов 12, 7 и показано на фиг.3 Еще через 200 мкс запускают разрядник 20 и конденсаторы 18 разряжают через зазор 11, в котором формируется искровой канал. Осциллограмма импульса магнитного поля соленоида 2 в зазоре 11 с меткой, соответствующей импульсу тока в зазоре 11 между электродами 12 и 7 показана на фиг.2.

Функции термоизоляции и нагревания плазмы выполняются за счет собственных и внешних магнитных полей, и кратковременный импульс тока, который разряжается через газ во внешнем сильном продольном магнитном поле до 500 кЭ. За счет взаимодействия тока с собственным радиальным магнитным полем (~100 кЭ) в сочетании с одновременным внешним продольным сильным магнитным полем (~500 кЭ) происходит сжатие плазменного шнура к оси разряда. Взрывообразное расширение искрового канала, сгущая линии магнитного поля на катодных и анодных пятнах уменьшают его по центру в плазме искрового канала, тем самым создавая магнитную ловушку (пробкотрон). Плазма, оказывается отделенной от стенок сосуда собственным и внешним магнитными полями и нагревается за счет работы сил сжатия и джоулева тепла в течение 50 мкс.

В таблице 1 даны, рассчитанные по вольтамперным характеристикам значения напряженности магнитного поля плазменного шнура 14 Н_кан, соленоида 2 H_солен, и результирующая Н_рез, тепловая скорость электронов V, ларморовский радиус, период ларморовской орбиты Т, частота ларморовской процессии н и длина волны бетатронного излучения л.

В таблице 2 приведены экспериментальные данные напряжения U(t), тока I(t), и радиуса искрового канала r(t), а так же вычисленные по формулам значения удельной проводимости сопротивления искрового канала температуры электронов температуры по Джоулеву нагреву Т_Дж, плотности тока и мощности, вкладываемой в разряд в аргоне при значениях напряженности продольного магнитного поля Н=1,6х10⁷ А/м, прикладываемого напряжения пробоя U_пр=6,65 кВ, d=0,003 м, и напряжении статического пробоя U_ст=4.5 кВ, р=3х10⁵ Па, L~10^-8 Гн, С=10^-6 Ф. Температура электронов плазменного шнура в период времени 213–300 нс, отсчитываемого от переднего фронта импульса напряжения подаваемого на разрядный промежуток, превышает 10⁶ К, превышая в максимуме 1,4х10⁶ К, т.е. плазма становится высокотемпературной.

Таким образом, достигаются технические результаты группы изобретений. Реализована возможность получения высокотемпературной плазмы в заявленном устройстве, заявленным способом.

1. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы, в котором два металлических электрода располагают с зазором, где создают импульс продольного электрического поля, с помощью которого создают в зазоре шнур ионизированной плазмы, отличающийся тем, что в зазоре предварительно создают импульс продольного магнитного поля, причем ток в созданном шнуре ионизированной плазмы поддерживают таким, что его магнитное поле обеспечивает сжатие сформированного плазменного шнура за счет эффекта импульсного z-пинча, при этом амплитуда импульса продольного магнитного поля обеспечивает стабилизацию шнура ионизированной плазмы, а длительность импульса продольного магнитного поля превышает длительность импульса продольного электрического поля.

2. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что в зазоре создают шнур полностью ионизованной плазмы.

3. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что импульсное продольное магнитное поле в зазоре создают однородным.

4. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что металлические электроды изготавливают осесимметричными и располагают на одной оси.

5. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что шнур ионизированной плазмы формируют за счет искрового разряда.

6. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что шнур ионизированной плазмы формируют за счет искрового разряда в газовой среде с давлением в диапазоне 1х10⁵ Па–2х10⁶ Па.

7. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что создают импульс продольного магнитного поля с амплитудой, превышающей амплитуду собственного магнитного поля разряда.

8. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что электроды изготавливают из Al, и/или Cu, и/или Fe.

9. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что импульс продольного магнитного поля в зазоре создают длительностью в диапазоне от 10 мкс до 10 с.

10. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что импульс продольного магнитного поля в зазоре создают с амплитудой в диапазоне от 1,5х10⁷ А/м до 4х10⁷ А/м.

11. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что импульс продольного электрического поля в зазоре создают с длительностью в диапазоне от 20 до 50 мкс.

12. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что импульс продольного электрического поля в зазоре создают вблизи момента достижения максимума импульса продольного магнитного поля.

13. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что импульс продольного электрического поля в зазоре создают с амплитудой в диапазоне от 2х10⁶ В/м до 7х10⁶ В/м и передним фронтом длительностью не более чем 10 нс.

14. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что его осуществляют в импульсно-периодическом режиме с временными промежутками между импульсами в диапазоне 2–5 с.

15. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы, которое содержит импульсный источник энергии, формирователь импульса и плазменную камеру с осесимметричными электродами, отличающееся тем, что осесимметричные электроды расположены с зазором на одной оси внутри плазменной камеры, а устройство также содержит соленоид и блок управления магнитным полем, выполненные с возможностью создания в зазоре импульса продольного магнитного поля, при этом импульсный источник энергии и формирователь импульса выполнены с возможностью создания в зазоре импульса продольного электрического поля, способного сформировать в зазоре шнур ионизированной плазмы, величина тока в котором обеспечивает сжатие плазменного шнура за счет эффекта импульсного z-пинча, причем формирователь продольного импульса электрического поля синхронизован с блоком управления магнитным полем, с возможностью обеспечения формирования импульса продольного импульса электрического поля во время действия в зазоре импульса магнитного поля, сформированного с помощью соленоида и блока управления магнитным полем.

16. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что зазор между двумя металлическими электродами выполнен шириной 1–10 мм.

17. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что металлические электроды выполнены в форме полусферических электродов Роговского.

18. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что электроды выполнены из Al, и/или Cu, и/или Fe.

19. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что соленоид, и блок управления магнитным полем, выполнены с возможностью создания в зазоре импульсного продольного магнитного поля длительностью в диапазоне от 300 до 600 мкс.

20. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что соленоид, и блок управления магнитным полем, выполнены с возможностью создания импульсного продольного магнитного поля с амплитудой в диапазоне от 1,5х10⁷ А/м до 4х10⁷ А/м.

21. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что импульсный источник энергии и формирователь импульса выполнены с возможностью создания в зазоре импульсного электрического поля с длительностью в диапазоне от 20 до 50 мкс.

22. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что импульсный источник энергии и формирователь импульса выполнены с возможностью создания в зазоре импульсного электрического поля амплитудой в диапазоне от 2х10⁶ В/м до 7х10⁶ В/м и передним фронтом длительностью не более чем 10 нс.

23. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что импульсный источник энергии и формирователь импульса выполнены с возможностью создания в зазоре импульсного электрического поля вблизи момента достижения максимума импульса продольного магнитного поля.

24. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что выполнено с возможностью работы в импульсно-периодическом режиме с временными промежутками между импульсами продольного магнитного поля в диапазоне 2–5 с.

25. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что плазменная камера выполнена с возможностью заполнения газом под давлением 1х10⁵ Па–2х10⁶ Па.

26. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что плазменная камера выполнена с возможностью освещения зазора ультрафиолетовым светом от дополнительного искрового разрядника.