СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ С МАГНИТНОЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ Z-ПИНЧА
METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING HIGH-TEMPERATURE PLASMA WITH MAGNETIC STABILIZATION OF Z-PINCH

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.
5
6
Предпочтительно шнур ионизированной плазмы формируют за счет искрового разряда в газовой среде с давлением в диапазоне 1х10Па – 2х10Па.
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.
7
7
Предпочтительно импульс продольного магнитного поля в зазоре создают с амплитудой в диапазоне от 1,5х10А/м до 4х10А/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.
6
6
Предпочтительно импульс продольного электрического поля в зазоре создают с амплитудой в диапазоне от 2х10 В/м до 7х10 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.
7
7
Предпочтительно выполнение соленоида, и блока управления магнитным полем, с возможностью создания импульсного продольного магнитного поля с амплитудой в диапазоне от 1,5х10А/м до 4х10А/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.
6
6
Предпочтительно выполнение импульсного источника энергии и формирователя импульса с возможностью создания в зазоре импульсного электрического поля амплитудой в диапазоне от 2х10 В/м до 7х10 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.
5
6
Предпочтительно выполнение плазменной камеры с возможностью заполнения газом под давлением 1х10Па – 2х10Па.
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.
5
6
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 1х10Па – 2х10Па 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.
5
13
14
-3
-6
7
0
Устройство работает при осуществлении способа следующим образом. Плазменная камера 19 откачивают и наполняют аргоном до давления 3х10 Па. Конденсаторы 18 предварительно заряжают до U. Конденсатор 17 емкостью 1800 мкФ предварительно заряжают до напряжения 5 кВ. Начальную концентрацию ~10 – 10м 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 5·10Гн, за время 600 мкс. При этом в соленоиде 2 создается импульс продольного магнитного поля с напряженностью в максимуме 1,6х10А/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.
кан
солен
рез
В таблице 1 даны, рассчитанные по вольтамперным характеристикам значения напряженности магнитного поля плазменного шнура 14 Н, соленоида 2  H, и результирующая Н, тепловая скорость электронов V, ларморовский радиус, период ларморовской орбиты Т, частота ларморовской процессии н и длина волны бетатронного излучения л.
Дж
пр
ст
7
5
-8
-6
6
6
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, плотности тока  и мощности, вкладываемой в разряд  в аргоне при значениях напряженности продольного магнитного поля Н=1,6х10 А/м, прикладываемого напряжения пробоя U=6,65 кВ, d=0,003 м, и напряжении статического пробоя U=4.5 кВ, р=3х10 Па, L~10Гн, С=10 Ф. Температура электронов плазменного шнура в период времени 213–300 нс, отсчитываемого от переднего фронта импульса напряжения подаваемого на разрядный промежуток, превышает 10 К, превышая в максимуме 1,4х10 К, т.е. плазма становится высокотемпературной.
Таким образом, достигаются технические результаты группы изобретений. Реализована возможность получения высокотемпературной плазмы в заявленном устройстве, заявленным способом.