УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСКОРЕНИЯ И СЖАТИЯ ПЛАЗМЫ

Полезная модель относится к плазменной технике и может быть использована, например, в качестве импульсного источника проникающих излучений и направленных потоков заряженных частиц.
Известен ряд устройств, предназначенных для ускорения и сжатия плазмы, с электродной системой, состоящей из двух, находящихся один в другом, электродов между которыми генерируется плазменное образование, которое в дальнейшем ускоряется вдоль электродов под действием собственного магнитного поля тока, протекающего в разрядном контуре устройства.
К подобным устройствам относятся, например: плазменные ускорители, описанные в работе «Разбрызгивание вольфрама при воздействии интенсивного потока плазмы», Н.С. Климов и др., ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2009, вып. 2, стр. 52-61, состоящие из трубчатого внешнего электрода, внутреннего электрода, расположенного внутри внешнего, между которыми образуется и ускоряется плазма, и источника питания.
Недостатком данного типа устройств является то, что при движении и взаимодействии с внешним электродом часть плазмы оказывается «размазанной» вдоль поверхности внешнего электрода, что приводит к появлению паразитных шунтирующих токов в межэлектродном промежутке.
Нецилиндрические Z-пинчи, описанные в работе «А review of the dense Z-pinch», M G Haines, Plasma Phys. Control. Fusion 53 (2011) 093001 состоят из внешнего электрода, внутреннего электрода, соосно расположенного внутри внешнего, между которыми образуется токово-плазменная оболочка, и источника питания особенность их работы заключается в том, что на заключительном этапе движения плазменная оболочка сходится на оси устройства, и в результате развития неустойчивости типа «перетяжка» происходит сжатие и разогрев плазмы.
Недостаток устройств на основе нецилиндрических Z-пинчей заключается в том, что эффективность сжатия плазмы резко снижается, если через образующуюся перетяжку течет не весь ток установки.
В качестве прототипа к данной полезной модели выбрано устройство для ускорения и сжатия плазмы (патент РФ 2634849 С2, МПК Н05Н 1/54, опубликован 07.11.2017), включающее в себя следующие элементы:
ускоритель плазмы, содержащий трубчатый внешний электрод и трубчатый внутренний электрод, расположенный внутри внешнего электрода таким образом, что между ними образуется кольцевой канал распространения плазмы для ускорения и сжатия проходящего по нему тора плазмы; при этом ускоритель содержит вход для приема тора плазмы из генератора плазмы, выход для разрядки ускоренного и сжатого тора плазмы и канал распространения плазмы с продольно вытянутым участком, который характеризуется наличием переднего по ходу конца, сообщающегося по текучей среде с входом, и заднего по ходу конца, сообщающегося по текучей среде с выходом; при этом поперечный кольцевой зазор, определяемый как радиальное расстояние между внутренним и внешним электродами, сужается нелинейно в направлении движения тора плазмы вдоль вытянутого участка; и
источник питания, электрически связанный с ускорителем, который генерирует ток, протекающий в ускорителе и создающий магнитный толкающий поток за тором плазмы, достаточный для проталкивания тора плазмы от переднего по ходу конца через вытянутый участок до заднего по ходу конца вплоть до выхода ускорителя;
при этом указанное устройство выполнено с возможностью обеспечивать индуктивность перед вытянутым участком, достаточную для ускорения и сжатия тора плазмы при его прохождении по всему указанному участку за счет расширения магнитного толкающего потока; при этом выбраны такие размеры канала распространения плазмы, чтобы при выбранной индуктивности в пределах вытянутого участка и выбранной индуктивности перед вытянутым участком величина тока, протекающего по вытянутому участку у заднего по ходу конца, была меньше величины тока у переднего по ходу конца вытянутого участка, а давление тора плазмы у заднего по ходу конца превышало давление тора плазмы у переднего по ходу конца вытянутого участка.
Недостатком прототипа является высокая вероятность возникновения паразитных шунтирующих токов в межэлектродном промежутке, и, как следствие, нестабильная работа устройства и недостаточно высокая скорость плазмы на выходе из ускорителя. Это происходит, потому что при работе устройства, в силу диамагнитных свойств плазмы, вещество из ускоряемого плазменного образования выталкивается в направлении внешнего электрода (в сторону уменьшения магнитного поля). При взаимодействии с внешним электродом выброшенная плазма теряет часть осевой составляющей скорости, замедляется относительно остальной плазмы и оказывается «размазанной» вдоль поверхности внешнего электрода на всем пути движения ускоряемого плазменного образования. Наличие не собранной плазмы может приводить к появлению паразитных шунтирующих токов в межэлектродном промежутке. Это, в свою очередь, приведет к уменьшению величины напряженности магнитного поля, ускоряющего плазму, и понизится конечная скорость плазмы и ухудшится стабильность работы устройства.
Техническая проблема заявленной полезной модели заключается в повышении стабильности работы устройства с достижением технического результата, заключающегося в уменьшении вероятности возникновения паразитных шунтирующих токов в межэлектродном промежутке за счет увеличения скорости плазмы.
МП
B
Технический результат достигается тем, что устройство для ускорения и сжатия плазмы, включающее в себя ускоритель плазмы, содержащий внешний электрод и внутренний электрод, расположенный внутри внешнего электрода таким образом, что совпадающие с высотами электродов центральные оси электродов совпадают, и между электродами образуется межэлектродный промежуток для ускорения и сжатия проходящей по нему плазмы; и источник питания, электрически связанный с ускорителем плазмы и выполненный с возможностью возбуждения электрического импульса, который генерирует ток, протекающий в ускорителе плазмы, при этом устройство выполнено с возможностью увеличения объема плазменного образования за счет увеличения площади перпендикулярного сечения межэлектронного промежутка в котором ускоряется и сжимается плазма, при этом указанное увеличение выполнено в соответствии с монотонно возрастающей функцией S(Z), зависящей от расстояния от заданного начального места образования плазмы, а площадь перпендикулярного сечения внутреннего электрода, уменьшена в соответствии с монотонно убывающей функцией S(Z), зависящей от расстояния от заданного начального места образования плазмы, где упомянутые функции представляют собой соотношения:
,
МП
1
МП
2
1
2
B
1
B
2
1
2
в которых S(z) и S(z) - площади перпендикулярного сечения межэлектродного промежутка в точках z и z в начале и на выходе устройства соответственно, S(z) и S(z) - площади перпендикулярного сечения внутреннего электрода в точках z и z в начале и на выходе соответственно, где за направление оси Z принято направление движения ускоряемой плазмы.
На фиг. 1 представлена схема устройства для ускорения и сжатия плазмы в продольном разрезе.
На фиг. 2 представлены примеры вариантов формы перпендикулярного сечения электродов устройства для ускорения и сжатия плазмы.
На фиг. 3 представлена схема устройства для ускорения и сжатия плазмы, использованная при численном моделировании.
На фиг. 4 представлен график зависимости массы рабочего вещества (в относительных единицах), выброшенного на внешний электрод вещества, от угла при вершине конуса (в градусах), образующего поверхность внутреннего электрода.
Принятые обозначения.
1 - Внешний электрод.
2 - Внутренний электрод.
3 - Межэлектродный промежуток.
4 - Ускоряемое плазменное образование.
5 - Источник питания.
6 - Заданное начальное место образования плазмы.
1
2
МП
B
Устройство состоит из внешнего электрода 1 и внутреннего электрода 2, высоты которых являются центральными осями и совпадают. Электроды 1 и 2 разделены межэлектродным промежутком 3, по которому движется ускоряемое плазменное образование 4, изначально образующееся в заранее заданном месте 6 (например, у поверхности изолятора или возле устройства предионизации) и источника питания 5. Ось Z на фиг. 1 параллельна являющимся высотами центральным осям электродов, и направление оси Z совпадает с направлением движения ускоряемого плазменного образования 4. Начало координат z=0 задается точкой пересечения оси Z с плоскостью, проходящей через заданное начальное место образования плазмы 6. А-А и Б-Б - перпендикулярные сечения устройства для ускорения и сжатия плазмы, проведенные в произвольных точках z и z. Примеры форм этих перпендикулярных сечений представлены на фиг. 2. Площадь перпендикулярного сечения межэлектродного промежутка 3 плоскостями А-А либо Б-Б является функцией от координаты z, и в дальнейшем обозначается S(z), площадь перпендикулярного сечения плоскостями А-А либо Б-Б внутреннего электрода 2 также является функцией от координаты z, и в дальнейшем обозначается S(z).
Устройство работает следующим образом. После подачи в разрядную цепь электрического импульса от источника питания 5 в заранее заданном месте 6 межэлектродного промежутка 3 между внешним 1 и внутренним 2 электродами формируется плазменное образование 4. Далее под давлением магнитного поля:
0
где В - величина магнитной индукции поля, μ - магнитная постоянная, плазменное образование 4 начинает ускоренное движение по направлению к заднему по ходу концу ускорителя. По ходу движения плазменного образования 4 его масса увеличивается за счет сгребания газа, находящегося в межэлектродном промежутке 3, и за счет эрозии материала электродов 1 и 2. В силу диамагнитных свойств плазмы, вещество из плазменного образования 4 выталкивается в направлении внешнего электрода 1 (в сторону уменьшения магнитного поля). При взаимодействии с внешним электродом 1 вытолкнутая плазма теряет часть осевой составляющей скорости, замедляется относительно плазменного образования 4 и оказывается «размазанной» вдоль поверхности внешнего электрода 1 на всем пути движения плазменного образования 4. Наличие не собранной плазмы может приводить к появлению паразитных токов в межэлектродном промежутке 3, шунтирующих основной ток, текущий через ускоряемое плазменное образование 4. Это, в свою очередь, приведет к уменьшению величины индукции магнитного поля В, ускоряющего плазму:
где I - рабочая величина силы тока, текущего через плазменное образование 4, R - расстояние от оси устройства до точки пространства с искомой величиной индукции магнитного поля. Таким образом, понижается конечная скорость плазмы и ухудшается стабильность работы устройства.
МП
B
Для минимизации процессов выталкивания рабочего вещества на поверхность внешнего электрода 1 необходимо, чтобы одновременно с увеличением массы плазменного образования 4 за счет сгребания газа увеличивался объем плазменного образования 4 (пропорциональный его характерной толщине и площади перпендикулярного сечения межэлектродного промежутка 3). Толщина плазменного образования 4 зависит от элементного состава плазмообразующего вещества и температуры плазмы, и существенно увеличить ее для конкретно взятой установки с заданными параметрами достаточно проблематично. Поэтому в данном устройстве предложено увеличивать объем плазменного образования 4 за счет увеличения площади перпендикулярного сечения S межэлектродного промежутка 3. При заданных габаритах устройства увеличивать площадь перпендикулярного сечения межэлектродного промежутка 3 устройства возможно только за счет уменьшения площади перпендикулярного сечения S внутреннего электрода 2 (в случае полого внутреннего электрода 2, это будет площадь перпендикулярного сечения фигуры, ограничиваемой внешней поверхностью электрода 2).
B
К тому же, при уменьшении площади перпендикулярного сечения S внутреннего электрода 2 (а, следовательно, при уменьшении его характерного поперечного размера) будет увеличиваться величина индукции магнитного поля вблизи его поверхности (см. формулу (2). При увеличении величины В будет расти величина магнитного давления (см. формулу (1)), ускоряющего плазму, следовательно, на выходе из устройства будет достигаться еще большая скорость плазмы.
Возможная форма электродов 1 и 2 устройства не ограничивается приведенной на фиг. 1. Также электроды 1 и 2 не обязательно должны обладать осевой симметрией. Примеры вариантов формы перпендикулярного сечения электродов 1,2 и межэлектродного промежутка 3 устройства представлены на фиг. 2.
1
2
2
1
Теперь рассмотрим перпендикулярные сечения устройства плоскостью, проходящей через точку Z, (А-А) и плоскостью, проходящей через точку Z, (Б-Б) (см. фиг. 1). Из всего вышесказанного следует, что, для любой пары точек z>z должно выполняться условие:
,
МП
1
МП
2
1
2
B
1
B
2
1
2
B
МП
где S(z) и S(z) - площади перпендикулярного сечения межэлектродного промежутка 3 в точках z и z соответственно, S(z) и S(z) - площади перпендикулярного сечения внутреннего электрода 2 в точках z и z соответственно. Иными словами, функция S(z) представляет собой монотонно убывающую функцию, зависящую от расстояния от заданного начального места образования плазмы 6, а функция S(z) представляет собой монотонно возрастающую функцию, зависящую от расстояния от заданного начального места образования плазмы 6, где за направление оси Z принято направление движения ускоряемой плазмы.
Обоснованность способа достижения технического результата данной полезной модели можно подтвердить с помощью численного моделирования.
m
m
МП
B
МП
B
При моделировании для простоты (см. фиг. 3) внешний электрод 1 имеет цилиндрическую форму, а внутренний электрод 2 - форму усеченного конуса, большее основание которого имеет координату z=0, а меньшее основание - координату z=z. Высота этого конуса - z - величина постоянная, а угол при вершине конуса - α - изменялся в диапазоне от 0 до 30 градусов. В случае α=0 внутренний электрод 2 становился цилиндрическим, и условие (3) не выполнялось, так как в таком случае S(z) и S(z) - постоянные величины. В случаях α>0 условие (3), очевидно, выполняется и функции S(z) и S(z) имеют следующие зависимости:
.
Численное моделирование динамики плазмы в таком устройстве было проведено с использованием модели типа «Снежный плуг» («Snow plough», описана в работе Basque G., Jolas A. and Watteau J.P., Physics of Fluids, v. 11, p. 13 84, 1968). В результате проведенного моделирования была получена зависимость массы (в отн. ед.) выброшенного из плазменного образования 4 на внешний электрод 1 рабочего вещества. Полученная зависимость представлена на фиг. 4. Из графика на фиг. 4 следует, что для случаев α>0 масса выброшенного на внешний электрод 1 рабочего вещества меньше, чем в случае α=0 (для которого не выполняется условие (3)). Чем меньше масса выброшенного из плазменного образования 4 на внешний электрод 1 рабочего вещества, тем меньше вероятность образования проводящей среды в межэлектродном промежутке 3, позволяющей протекание паразитных шунтирующих токов позади плазменного образования 4, что способствует достижению заявленного технического результата.
МП
B
Для реально созданного устройства для сжатия и ускорения плазмы аналитически вывести оптимальные математические законы изменения площадей перпендикулярного сечения в зависимости от координаты z S(z)=f(z) и S(z)=ϕ(z) представляется крайне затруднительным и, как правило, требует проведения численного моделирования динамики плазмы в каждом конкретном устройстве. Однако можно утверждать, что для каждого отдельно взятого устройства для ускорения и сжатия плазмы эти оптимальные зависимости будут определяться скоростью движения плазменного образования 4, эта скорость, в свою очередь, определяется параметрами источника питания 5 и геометрией электродов 1 и 2 и элементным составом плазмообразующего вещества в устройстве.
m
B
m
B
m
Оптимальная длина электродов 1 и 2 (или, другими словами, максимальная величина координаты z) в первую очередь будет определяться условием согласования устройства для ускорения и сжатия плазмы по току. Это условие согласования по току означает, что в момент времени окончания ускорения плазменного образования 4 (т.е. момент времени, когда плазменное образование 4 дошло до конца электродов 1 и 2) вся энергия, запасенная в начальный момент в источнике питания 5, была израсходована. Например, в случае, если источник питания 5 представляет собой конденсаторную батарею, время прохождения плазменного образования 4 вдоль всей длины электродов 1 и 2 должно совпадать с временем полной разрядки конденсаторной батареи. И, следовательно, оптимальная длина электродов 1 и 2 будет определяться этим временем. На практике длина электродов 1 и 2, как правило, лежит в интервале от 5 до 200 см. Допускаются различия в длинах внешнего 1 и внутреннего 2 электродов, при этом большей длиной может обладать как внешний 1, так и внутренний 2 электрод. Разница длин электродов 1 и 2 будет определяться особенностями ускорения плазменного образования 4 на конечном этапе и формой ускоряемого плазменного образования 4. Внутренний электрод 2 может иметь как «остроконечную» форму (т.е. S(z)=0), так и плоский торец (т.е. S(z)>0), как сказано выше, оптимальная форма внутреннего электрода 2 для конкретного устройства для сжатия и ускорения плазмы определяется с помощью численного моделирования динамики плазмы в этом устройстве.
Итак, вызывающее паразитные шунтирующие токи явление вытекания плазмы из ускоряемого плазменного образования 4 можно минимизировать путем увеличения объема плазменного образования 4 по мере его ускорения. Увеличивать объем плазменного образования 4 наиболее рационально за счет увеличения площади перпендикулярного сечения межэлектродного промежутка 3 устройства. Увеличивать площадь перпендикулярного сечения межэлектродного промежутка 3 при заданных габаритах устройства можно за счет уменьшения площади перпендикулярного сечения внутреннего электрода.
Кроме того, при увеличении площади перпендикулярного сечения межэлектродного промежутка 3 увеличится расстояние между электродами 1 и 2, что также будет приводить к уменьшению вероятности вторичных шунтирующих пробоев. А уменьшение площади перпендикулярного сечения внутреннего электрода 2 будет приводить согласно формуле (2) к увеличению магнитной индукции поля, ускоряющего плазменное образование 4, что в конечном итоге приведет к достижению им большей скорости.
Вследствие этого, уменьшается масса рабочего вещества, выбрасываемого на внешний электрод, и на конечной стадии развития разряда увеличивается величина тока, текущего непосредственно через ускоряемую плазму, а не в местах паразитных пробоев. Таким образом, уменьшается вероятность возникновения паразитных шунтирующих токов, повышается стабильность работы устройства и увеличивается конечная скорость плазмы на выходе из ускорителя.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно, уменьшается вероятность возникновения паразитных шунтирующих токов в межэлектродном промежутке, и, как следствие, повышается стабильность работы устройства и увеличивается конечная скорость плазмы на выходе из ускорителя.