ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР УЗКОНАПРАВЛЕННОГО ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА

Полезная модель относится к генераторам плазменных потоков, конкретно, к области техники конструирования устройств, в которых создаются узконаправленные плазменные потоки вдоль оси прибора. Такие устройства могут найти применение в плазменных технологиях, а также в системах инжекции ускорителей ионов.
Известны устройства [1-3], которые состоят из источника плазмы и постоянного соленоида. В них азимутально - симметричные плазменные потоки контрагируются с магнитным полем соленоидов, охватывающих плазменный поток. Недостатком таких приборов является локальный характер фокусировки, когда одновременно с уменьшением поперечного сечения плазменного потока увеличивается разброс радиальных скоростей (следствие теоремы Лиувилля).
Наиболее близкое по содержанию признаков техническое решение, выбранное в качестве прототипа, является генератор плазменного потока, описанный в [4]. Такой импульсный генератор плазменного потока состоит из источника лазерной плазмы и соленоида в виде конической катушки (спиральной линии). При создании в области лазерной плазмы переменного быстронарастающего магнитного поля, продольная составляющая, которого генерирует в плазме азимутальный ток, а поперечная его составляющая, взаимодействуя с этим током, обеспечивает ускорение лазерной плазмы. Взаимодействие продольной составляющей магнитного поля с токами в плазме может оказывать на нее фокусирующее воздействие, при котором поперечный фазовый объем уменьшается.
Недостатком прототипа как импульсного генератора узконаправленного плазменного потока, является отсутствие контрагирующего воздействия на поток лазерной плазмы при ее разлете за пределами соленоида.
Технический результат устройства направлен на увеличение контрагирующего (фокусирующего) воздействия магнитного поля на плазменный поток и, как следствие, уменьшение его выходной апертуры, что существенно расширяет технические возможности применения устройства в ускорителях в качестве инжектора легких и тяжелых ионов.
Этот результат достигается тем, что в устройстве, содержащем генератор импульса тока 1, включающем накопительную емкость С и коммутатор S, а также спиральный соленоид 3 и источник лазерной плазмы, состоящий из плазмообразующей мишени 4, фокусирующего устройства 5 и импульсного лазера 6, между генератором импульса тока 1 и спиральным соленоидом 3 установлен резистор 2 величиной R, удовлетворяющей условиям:
0
где μ - магнитная постоянная, G - объем спирального соленоида 3, Н - длина спирального соленоида 3, а N - число витков спирального соленоида 3, находящееся в пределах:
при этом параметры G, Н, N спирального соленоида 3 удовлетворяют следующим соотношениям:
пр
где L - индуктивность спирального соленоида 3, а пробойное напряжение Uнакопительной емкости С генератора импульсного тока 1 выбрано в пределах, удовлетворяющих следующим условиям:
В частном случае, в предлагаемом импульсном генераторе узконаправленного плазменного потока дополнительно установлен прозрачный для лазерного излучения изолятор 7 в виде полого цилиндра, охватывающий плазмообразующую мишень 4 источника лазерной плазмы, при этом изолятор 7 размещен внутри спирального соленоида 3 для предохранения от электрических пробоев между витками спирального соленоида 3.
-3
-3
-1
-2
15
-2
пр
Математический эксперимент, в котором была использована система дифференциальных уравнений магнитной гидродинамики [4,5], были учтены сведения о зависимости температуры и концентрации плазмы от времени, приведенных в монографии [6], полагая, что разлет лазерной плазмы является адиабатическим, была применена вариация указанных выше параметров в следующих пределах: G < 10 м, Н < 10м, 0.01 мкФ < С < 1.0 мкФ, 5 кВ < U< 50 кВ, N < 10, R > 50 Ом, 10 м Вт/м≤ q ≤ 10 Вт/м с учетом геометрических и электродинамических условий возможного технологического применения предлагаемого устройства, показал, что эффективное контрагирование лазерной плазмы на дальних расстояниях разлета узконаправленного плазменного потока после спирального соленоида может осуществляться только при выполнении условий (2-4).
Конкретно, благодаря выполнению ограничительного условия (1) для резистора 2, величиной R, вытекающего из анализа выражения для разрядного тока в спиральном соленоиде 3 в зависимости от времени t:
обеспечивается процесс непрерывного фокусирующего воздействия спирали на всей ее длине. При меньшем значении R разряд тока имеет колебательный характер и фокусирующее действие спирального соленоида 3 прекращается. При больших значениях R ограничительного условия (1) амплитуда тока в спиральном соленоиде 3 существенно уменьшается и перестает возбуждаться в плазме достаточный для ее фокусировки азимутальный ток.
Нарушение левого неравенства в условии (2) приводит к уменьшению контрагирующего воздействия, а нарушение его правой части, хотя и не нарушает контрагирующего воздействия, но существенно усложняет процесс фокусировки лазерного излучения на лазерную мишень и конструкцию устройства.
Условия (3,4) совместно обеспечивают верхние и нижние пределы значений геометрических параметров спирального соленоида N, H, G, L, C для необходимой связи между электродинамическими и геометрическими параметрами устройства, при которой возможно контрагирующее воздействие спирали на плазменный поток с учетом характерного времени разлета лазерной плазмы в пределах 0,1-1,0 мкс.
Таким образом, совокупность всех вышеуказанных существенных признаков, связанных друг с другом причинно-следственными связями, позволяет достичь вышеуказанного технического результата.
На Фиг. 1 представлен пример конкретной реализации импульсного генератора узконаправленного плазменного потока, содержащего следующие позиции: 1 - генератор импульса тока, включающий накопительную емкость С и коммутатор G, 2 - резистор, 3 - спиральный соленоид, а также источник плазмы, состоящий из лазерной мишени 4, фокусирующего устройства 5 и импульсного лазера 6. При этом, между спиральным соленоидом 3 и лазерной мишенью 4 размещен прозрачный для лазерного излучения изолятор 7 в виде полого цилиндра.
Устройство работает следующим образом. В результате срабатывания генератора импульса тока 1 в последовательной цепи резистора 2 и спирального соленоида 3 возбуждается электрический ток, создающий вокруг лазерной мишени 4 быстронарастающее азимутально - симметричное магнитное поле. До момента этого процесса в импульсном лазере 6 происходит генерация направленного электромагнитного излучения, которое концентрируется фокусирующим устройством 5 на лазерной мишени 4. В результате этого на ее поверхности образуется лазерная плазма, которая разлетается вдоль нормали к лазерной мишени 4 в виде вытянутого шара. Согласно закону электромагнитной индукции, в лазерной плазме возникает переменное электрическое поле, возбуждающее в ней азимутальный электрический ток. Азимутальная составляющая этого тока взаимодействует с продольной составляющей магнитного поля и создает силу Ампера, позволяющую при указанных выше параметрах спирального соленоида 3 формировать узконаправленный плазменный поток. Поперечная составляющая, возбуждаемого электрического тока, действующая на единичный объем лазерной плазмы, направлена к оси спирального соленоида 3.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет разработать и внедрить в различных плазменных технологиях устройства, в которых достигнуто существенное увеличение контрагирующего (фокусирующего) воздействия магнитного поля на плазменный поток и уменьшение его выходной апертуры, а также существенно расширяет технические возможности применения предлагаемого устройства в ускорителях в качестве инжектора потоков легких и тяжелых ионов с уменьшенным фазовым объемом.
Источники информации
1. Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. М., ФИЗМАТЛИТ, 2006, с. 74-75, 266-267.
2. Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М. Атомиздат, 1972, с. 139-140.
3. Козырев Ю.П., Козловский К.И., Цыбин А.С. О влиянии продольного магнитного поля на разлет ионов лазерной плазмы. Физика плазмы, т. 6, в. 1, с. 69-72.
4. Шиканов А.Е., Вовченко Е.Д., Козловский К.И., Шатохин В.Л. Модель ускорения лазерной плазмы в полях спиральной электродинамической линии. Письма в ЖТФ, т. 45, в. 3., 2019, с. 59-62.
5. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М., НАУКА, 1982, с. 164, 177-182.
6. Ананьин О.Б., Афанасьев Ю.В., Быковский Ю.А., Крохин О.Н. Лазерная плазма. Физика и применение. М., МИФИ, 2003, 400 с.