ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С МАГНИТНЫМ ЗАТВОРОМ

Полезная модель относится к плазменной технике, а именно к электродинамическим импульсным плазменным ускорителям, которые предназначены для формирования и ускорения сгустков высокотемпературной плазмы до сверхвысоких скоростей.
8
Широко известны простейшие импульсные плазменные ускорители, которые состоят из системы двух изолированных коаксиальных электродов, вложенных с зазором друг в друга и устройства на базе импульсного газового клапана, формирующего в межэлектродном зазоре облако нейтрального газа, которое ионизуется при подаче высоковольтного электрического импульса на электроды ускорителя. Под действием силы Ампера  возникающей при протекании электрического тока в межэлектродном зазоре ускорителя, облако ионизованного газа ускоряется в осевом направлении и выбрасывается из ускорителя в виде высокоскоростного плазменного сгустка. К подобным устройствам относится, например, электродинамический плазменный ускоритель с коаксиальными электродами криволинейной формы (Сиднев В.В., Скворцов Ю.В., Умрихин Н.М., Хамидуллин Ф.Р., «Импульсные плазменные ускорители большой мощности», Вопросы атомной науки и техники, Серия: Термоядерный синтез, 1983, вып. 2 (12) с. 12-26). Недостатком устройств на основе простейших коаксиальных ускорителей является их недостаточная эффективность, которая особенно проявляется при высокой скорости плазмы на выходе ускорителя (Сиднев В.В., Скворцов Ю.В., Соловьева В.Г., Умрихин Н.М., «Особенности электродинамического ускорения водородной плазмы до больших (10 см/с) скоростей», Физика плазмы, 1984, т. 10, №2, с. 392-399). Известна также конструкция импульсного плазменного ускорителя, в котором в качестве ускоряемого сгустка используется магнитоплазменное образование типа компактного тора (J.H. Hammer, J.L. Eddleman, C.W. Hartman at al, "Experimental Demonstration of Compact Torus Compression and Acceleration", Phys. Fluids В 3 (8) (1991), pp. 2236-2240). В данном ускорителе на начальной стадии ускорения осуществляется квазиадиабатическое сжатие компактного тороида изменением геометрии межэлектродного канала без существенного увеличения индуктивности разрядного контура, что позволяет эффективно перекачивать энергию, запасенную в конденсаторном накопителе в энергию магнитного поля разрядного контура, увеличивая тем самым эффективность ускорителя. Недостатком данного ускорителя является невозможность изменения массы сгустка в процессе ускорения. Это приводит к необходимости применять протяженные электродные системы для достижения высоких скоростей сгустка, что неминуемо сопровождается увеличением потерь энергии и снижением эффективности ускорителя.
В качестве прототипа выбрано устройство для ускорения и сжатия плазмы (патент РФ 2634849 С2, МПК Н05Н 1/54, опубликован 07.11.2017). Оно включает в себя последовательно соединенные элементы: генератор плазмы, переходный участок, ускоритель, систему сохранения потока, а также источник питания. Генератор плазмы состоит из двух коаксиальных электродов, вложенных друг в друга таким образом, что в пространстве между ними образуется кольцеобразный канал. В этом канале происходит формирование плазменного образования и перемещение его к выходу генератора. Переходный участок, который расположен между выходом генератора плазмы и ускорителем, имеет воронкообразную форму (участок с относительно большой конусностью) и обеспечивает высокую степень сжатия плазменного тора, который далее поступает на вход ускорителя. Так же как и генератор плазмы, ускоритель состоит из двух вложенных коаксиальных электродов с плавно уменьшающимся поперечным сечением в направлении движения плазменного образования. Источник питания, электрически связанный с генератором плазмы и ускорителем, генерирует в них ток, посредством которого создается магнитный поток, толкающий плазменное образование в направлении выходного торца ускорителя посредством силы Ампера  После выхода из ускорителя ускоренное плазменное образование поступает в систему сохранения потока. Параметры межэлектродного канала генератора плазмы, переходного участка и ускорителя выбраны таким образом, чтобы величина электрического тока, протекающего по плазме при ее нахождении на выходе ускорителя, была много меньше величины тока, протекающего по плазме при ее нахождении на входе в ускоритель, что обеспечивает высокую эффективность ускорения.
Недостатком прототипа, как и ускорителя, описанного в работе (J.H. Hammer, J.L. Eddleman, G.W. Hartman at al, "Experimental Demonstration of Compact Torus Compression and Acceleration", Phys. Fluids В 3 (8) (1991), pp. 2236-2240) является невозможность изменения массы сгустка в процессе ускорения. Это приводит к необходимости применять протяженные электродные системы для достижения высоких скоростей сгустка, что неминуемо сопровождается увеличением потерь энергии и снижением эффективности ускорителя.
Целью настоящего предложения является повышение коэффициента полезного действия ускорителя, а также уменьшение его продольного размера при высоких скоростях генерируемого им плазменного сгустка.
y
0
Поставленная цель достигается тем, что в известном коаксиальном плазменном ускорителе, содержащем источник энергии в виде конденсаторного накопителя или взрывомагнитного генератора, систему импульсного напуска газа и два коаксиальных электрода, разделенные изолятором, поверх вакуумной камеры ускорителя помещен стационарный магнитный затвор, образованный парой коротких катушек, создающих вблизи точки напуска газа пробочное магнитное поле, препятствующее движению плазмы до момента времени, когда электрический ток в разрядном контуре ускорителя достигнет своего максимального значения. При этом значение коэффициента полезного действия ускорителя приближается к его максимальному значению , где L - индуктивность участка электродной системы ускорителя от точки напуска нейтрального газа до выходного торца ускорителя, L - начальная индуктивность разрядного контура. Применение магнитного затвора позволяет уменьшить потери рабочего газа, напускаемого в межэлектродный зазор ускорителя, повышая тем самым эффективность использования рабочего газа, что особенно существенно при работе на дорогостоящих сортах газа, таких как изотопы водорода.
Техническим результатом данной модели является более полное использование энергии источника питания и, соответственно, увеличение энергии ускоренной плазмы на выходе ускорителя при более эффективном использовании рабочего газа.
Технический результат достигается тем, что в ускорителе перед плазменным образованием по ходу его движения посредством специальных магнитных катушек создается барьерное магнитное поле. Силовое действие этого поля на плазменное образование препятствует преждевременному движению плазменного образования и по своей величине достаточно для того, чтобы плазменное образование оставалось вблизи места своего образования до момента времени, когда ток, протекающий через плазменное образование, достигнет значения, достаточного для преодоления магнитного барьера. В этот момент времени разрядный ток возрастает до величины, близкой к максимально возможной для данного источника питания. При этом энергия, запасенная в источнике питания, почти полностью переходит в магнитную энергию тока текущего через ускоритель. Таким образом, за счет применения магнитного барьера, возрастает амплитудное значение тока () и энергия , передаваемая плазменному образованию от источника питания по сравнению с ускорителем без специальных магнитных катушек. Увеличение энергии, передаваемой пламенному образованию, приводит к увеличению конечной скорости и массы или скорости или массы плазмы на выходе из ускорителя. Применение магнитного барьера препятствует также радиальному движению плазмы из-за разности давлений азимутального магнитного поля вблизи поверхности внутреннего электрода  и поверхности внешнего электрода , равной , что повышает эффективность использования рабочего газа.
Схема плазменного ускорителя с магнитной катушкой представлена на фиг. 1.
Принятые обозначения:
1. Внутренний электрод.
2. Внешний электрод.
3. Изолятор.
4. Импульсный газовый клапан.
5. Магнитная катушка.
6. Межэлектродное пространство.
7. Плазменное образование.
8. Канал внутри электрода.
9. Источник питания.
Устройство состоит из внешнего электрода 2 и внутреннего электрода 1, в котором имеется канал 8 с отверстиями, выходящими в межэлектродное пространство 6 ускорителя. Электроды 1 и 2 электрически изолированы друг от друга за счет наличия изолятора 3 и подключены к источнику питания 9. Канал внутри электрода 8 сопряжен с импульсным газовым клапаном 4. Вне межэлектродного пространства 6, снаружи внешнего электрода 2 располагается магнитная катушка 5.
Принцип работы устройства заключается в следующем. С помощью импульсного газового клапана 4 через канал внутри электрода 8 в межэлектродное пространство 6 впрыскивается газ. После этого от источника питания 9 на электроды ускорителя 1 и 2 подается напряжение, в результате чего, в районе выхода газа в межэлектродное пространство 6 происходит электрический пробой с формированием плазменного образования 7. При протекании радиального разрядного тока в межэлектродном зазоре устройства возникает азимутальное магнитное поле. Давление магнитного поля определяется по формуле 1:
о
у
ИП
max
где В - величина магнитной индукции поля, μ - магнитная постоянная. Под действием этого давления в известном плазменном ускорителе, плазменное образование 7 сразу начинает перемещается вдоль оси Z в направлении выходного торца. В результате этого движения возникает ЭДС самоиндукции , замедляющая скорость нарастания тока. Графики роста тока в контуре (7) от времени (т) показаны на фиг. 2, на которой кривая 10 соответствует разрядному току, протекающему в прототипе, кривая 11 соответствует разрядному току, протекающему в предлагаемом плазменном ускорителе, кривая 12 соответствует разрядному току, протекающему в ускорителе с неподвижной плазмой. Время, за которое плазменное образование 7 проходит расстояние от места своего формирования до выходного торца ускорителя (τ), зачастую меньше времени разряда конденсаторов источника питания 9 (τ), или времени за которое в контуре устанавливается максимальный ток (I). Поэтому, часть энергии, запасенной в источнике питания 9, не используется по назначению, что фактически говорит о заниженном КПД ускорителя.
з
з
max2
max1
max
з
Использование предложенного устройства выгодно отличается от известного коаксиального ускорителя тем, что созданы условия, при которых плазменное образование 7 некоторое время (время задержки τ) будет находиться вблизи места своего образования. После истечения времени задержки (τ) плазменное образование 7 начинает двигаться вдоль оси Z в направлении выходного торца, как и в прототипе. Однако, максимальный ток (I), протекающий через плазменное 7 предложенного устройства, больше максимального тока (I), протекающего через плазменное образование 7 прототипа, и по величине, ближе к максимальному току (I), протекающему через плазменное образование 7 в ускорителе с неподвижной плазмой. Делается это посредством создания противодавления от магнитного поля, дополнительно вводимого в межэлектродное пространство 6. Для создания этого магнитного поля предложено использовать магнитные катушки 5, которые питаются от отдельного источника. Это магнитное поле должно быть больше азимутального магнитного поля, создаваемого током в разрядном контуре ускорителя все время задержки τ.