БОКС ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИНФРАКРАСНОМУ НАГРЕВУ КРИОГЕННОГО СЛОЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА В СФЕРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ
BOX FOR EXPERIMENTS ON INFRARED HEATING OF A CRYOGENIC LAYER OF HYDROGEN ISOTOPES IN A SPHERICAL SHELL

Настоящее изобретение относится к области лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) и криогеники и может быть преимущественно использовано для получения равнотолщинного криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке для последующих экспериментов по сжатию термоядерной мишени вблизи порога ее зажигания.
Известен бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке [Е.И. Осетров, В.М. Изгородин, Е.Ю. Соломатина, и др. Эксперименты по выравниванию криогенного слоя дейтерия по толщине ИК-излучением. // V Международная конференция "Лазерные, плазменные исследования и технологии" ЛаПлаз-2019: Сборник научных трудов. Ч. 2. М.: НИЯУ МИФИ, 2619. - 388 с.с. 362-363].
Известное устройство представляет собой бокс со сферической полостью внутри, так называемой сферой выравнивания. В центре сферы расположена оболочка, наполняемая изогонами водорода через капилляр. В боксе выполнено четыре окна для наблюдения за слоем, одно из которых используется для заведения инфракрасного излучения. Окна бокса выполнены из лавсана.
В известном устройстве источник инфракрасного излучения находится за пределами криостата, излучение проходит через окна криостата, криогенного экрана и окон бокса (схема внешнего заведения излучения).
Недостатками данного устройства являются невозможность проводить на нем эксперименты по формированию криослоя с различным заведением инфракрасного излучения.
Известен бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке [D.N. Bittner, G.W. Collins, and J.D. Sater. Generating Low Temperature Layers with IR Heating / Preprint, UCRL-JC-143446. Lawrence Livermore National Laboratory, 31.01.2003].
Известное устройство представляет собой бокс из алюминия с внутренней сферой диаметром 23 мм, на поверхность которой напылен слой золота. В центре сферы расположена оболочка, наполняемая изотопами водорода через капилляр. В боксе выполнено четыре окна для наблюдения за криослоем.
В данном боксе оптоволокно заводится внутрь сферы выравнивания для заведения инфракрасного излучения непосредственно в полость бокса (схема внутреннего заведения излучения).
Недостатками данного устройства является невозможность проводить на нем эксперименты по формированию криослоя с различным заведением инфракрасного излучения, кроме того сложность и большие габариты конструкции с большим количеством составляющих компонентов могут нести принципиальное значение при проведении экспериментов по ЛТС.
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща известному боксу для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода и сферической оболочке [D.N. Bittner at al. Forming Uniform HD Layers in Shells Using Infrared Radiation / UCRL-JC-131371, PREPRINT, Lawrence Livermore National Laboratory, 12.10.1998].
Известное устройство представляет собой бокс с внутренней сферой 25 мм, в центре которого располагается оболочка, наполняемая изотопами водорода через капилляр. Внутренняя сфера выполнена из алюминия (меди OFHC) и покрыта золотом для большего переотражения инфракрасного излучения. В боксе выполнены четыре отверстия диаметром 4 мм, одна пара отверстий используется для ввода инфракрасного излучения в бокс через окна криостата. Вторая пара отверстий используется для наблюдения за криослоем (микроскоп с камерой и подсветка).
В отличие от разрабатываемой конструкции отверстия бокса закрыты сапфировыми линзами.
Недостатками данного устройства являются большие габариты бокса, трудоемкий процесс сборки бокса и подготовка к эксперименту, трудоемкая реализация метода заведений инфракрасного излучения без попадания на оболочку, невозможность заведения инфракрасного излучения непосредственно в бокс, минуя окна криостата и бокса. Известное устройство не позволяет проводить на нем эксперименты по формированию криослоя с различным заведением инфракрасного излучения. Также устройство не позволяет достичь минимальных размеров бокса с минимальным количеством составляющих компонентов, что может нести принципиальное значение при проведении экспериментов по ЛТС.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является универсализация конструкции бокса, направленная на возможность формирования равнотолщинного криослоя изотопов водорода с реализацией различных схем заведения инфракрасного излучения в полость бокса и последующим ее использованием в экспериментах на лазерных установках.
Техническим результатом является увеличение экспериментальных возможностей бокса в плане реализации различных схем заведения инфракрасного излучения в бокс, при упрощении конструкции и уменьшении ее массогабаритных параметров.
Технический результат изобретения обеспечивается тем, что бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке представляет собой металлическую конструкцию со сферической, покрытой слоем золота, полостью внутри, в центре которой расположена оболочка, удерживаемая на капилляре для напуска изотопов водорода; в бокс заведен капилляр для напуска гелия через соответствующее отверстие: в металлической конструкции выполнены четыре окна, два из которых используются для наблюдения за оболочкой, а одно используется для заведения инфракрасного излучения через оптически прозрачные окна (схема внешнего заведения излучения). Согласно изобретению в боксе предусмотрена реализация еще трех дополнительных схем заведения инфракрасного излучения, для чего окно заведения излучения выполнено большего размера относительно окон для наблюдения, которые выполнены минимального размера для возможности наблюдения за оболочкой, при этом над окном для заведения излучения выполнено дополнительное отверстие для заведения инфракрасного излучения в сферическую полость без прямого попадания на оболочку, в качестве средства для заведения излучения используют оптоволокно, которое заводят непосредственно в бокс (схема внутреннего заведения излучения), либо излучение заводится через оптически прозрачные окна (схема внешнего заведения излучения): в качестве материала окон используется пленка из лавсана.
В частном случае, связанном с варьированием выходных параметров на проведение эксперимента, бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке имеет вариации диаметра внутренней сферической полости от 10 до 25 мм с шагом в 5 мм.
Для соединения половин конструкции в единый бокс в одной из половин выполнены сквозные отверстия, а в ответной части резьбовые глухие отверстия диаметром М2, герметичность сборки обеспечивается применением криогенного клея.
Расположение дополнительного отверстия для ввода инфракрасного излучения на поверхности бокса было выбрано с учетом расчета распространении инфракрасного луча в сфере выравнивания. Результатом данного расчета стати выводы о необходимости направлять входящий конус света туда, где нет окон (во избежание потерь энергии пучка), предпочтительней вверх (где поверхность бокса холоднее вследствие градиента температур), под максимально возможным углом наклона к горизонтальной плоскости (для большего количества диффузных отражений), точно в вертикальной плоскости симметрии сферы выравнивания (для максимально одинакового облучения боковых полюсов оболочки).
Кроме того для понимания распределения температур в боксе и оболочке был проведен тепловой расчет модели экспериментального бокса максимально приближенной по геометрии и условиям к реальным экспериментам. В расчетах было проанализировано распределение температур в экспериментальном боксе и криогенном слое при различных условиях: схема внешнего заведения коллимированного пучка инфракрасного излучения диаметром 8 мм и 2,5 мм направленного строго в горизонтальной плоскости (на оболочку) и под углом 17° к горизонтали (согласно предварительным теоретическим расчетам). Были сделаны выводы, что для получения однородного по толщине криогенного слоя необходимо направлять инфракрасное излучение под углом, избегая прямого попадания на оболочку, на внутреннюю поверхность сферы матовой сферы выравнивания для получения равномерно рассеянного диффузного излучения (реализовано для всех четырех схем заведения инфракрасного излучения, для этого одно из окон выполнено большего диаметра и выполнено дополнительное отверстие), а также избегать попадания прямого пучка излучения на стенку бокса путем создания коллимированного пучка диаметром менее 2,5 мм для схемы с внешним заведением излучения, или заводить излучение внутрь экспериментального бокса.
Заведение излучения через дополнительное отверстие позволяет использовать освободившуюся пару окон по одной оси для диагностики слоя или для организации оптического наблюдения за криослоем в оболочке по двум взаимно перпендикулярным осям.
Проведенный тепловой расчет экспериментальных боксов показал, что для достижения изотермического теплового окружения достаточен диаметр сферы выравнивания 15 мм, что позволяет значительно уменьшить габариты бокса по сравнению с зарубежными аналогами и тем самым повысить скорость охлаждения до нужных температур всей конструкции бокса. В ходе проведения экспериментов по формированию криослоя было выявлено, что диаметр сферы выравнивания не оказывает значительного влияния на разнотолщинность получаемого слоя, и криослой требуемого качества можно получить в сфере меньшего диаметра.
Применение в качестве материала для герметизации окон бокса пленки из лавсана, приклеиваемой на криогенный клей, позволяет упростить конструкцию бокса, уменьшить количество компонентов сборки без потери качественных характеристик бокса.
Сущность изобретения поясняется чертежами, показанными на фиг. 1-8.
На фиг. 1 изображен бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке, установленный на столик второй ступени криостата, вид слева, где:
1 - левая половина конструкции;
2 - правая половина конструкции;
3 - сфера выравнивания (сферическая полость);
4 - сферическая оболочка;
8 - отверстие для ввода капилляра для напуска гелия;
10 - окно бокса для заведения инфракрасного излучения;
11 - отверстие для ввода инфракрасного излучения;
14 - столик второй ступени криостата.
На фиг. 2 изображен бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке, установленный на столик второй ступени криостата, вид спереди, где:
5 - капилляр для напуска изотопов водорода;
6 - отверстие для ввода капилляра для изотопов водорода;
7 - капилляр для напуска гелия;
8 - отверстие для ввода капилляра для напуска гелия;
9 - окна бокса для наблюдения;
10 - окно бокса для заведения инфракрасного излучения;
11 - отверстие для ввода инфракрасного излучения;
12 - пленки на окнах бокса;
13 - резьбовые соединения.
На фиг. 3 изображен бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке, установленный на столик второй ступени криостата, вид справа, где:
6 - отверстие для ввода капилляра для изотопов водорода;
12 - пленки на окнах бокса.
На фиг. 4 изображена внешняя схема заведения инфракрасного излучения в сферу выравнивания через окно бокса, где:
2 - правая половина конструкции;
3 - сфера выравнивания (сферическая полость);
4 - сферическая оболочка;
5 - капилляр для напуска изотопов водорода;
9 - окна бокса для наблюдения:
10 - окно бокса для заведения инфракрасного излучения;
11 - отверстие для ввода инфракрасного излучения;
14 - столик в трон ступени криостата;
15 - условное изображение инфракрасного излучения;
16 - оптоволокно, проводящее инфракрасное излучение;
17 - корпус криостата;
18 - криогенный экран.
На фиг. 5 изображена схема внутреннего заведения инфракрасного излучения в сферу выравнивания через окно бокса, где:
15 - условное изображение инфракрасного излучения;
16 - оптоволокно, проводящее инфракрасное излучение.
На фиг. 6 изображена схема внешнего заведения инфракрасного излучения в сферу выравнивания через дополнительное отверстие бокса, где;
15 - условное изображение инфракрасного излучения;
16 - оптоволокно, проводящее инфракрасное излучение.
На фиг. 7 изображена схема внутреннего заведения инфракрасного излучения в сферу выравнивания через дополнительное отверстие бокса, где:
15 - условное изображение инфракрасного излучения;
16 - оптоволокно, проводящее инфракрасное излучение.
На фиг. 8 показан процесс формирования криогенного слоя льда в оболочке с конечным результатом эксперимента по формированию криогенного слоя дейтерия, разнотолщинностью менее 1%, где;
5 - сферическая оболочка.
В конструкции бокса, разработанной в соответствии с фиг. 1-3. получилось реализовать различные схемы заведения инфракрасного излучения в сферу выравнивания. На фиг. 4-7 изображены схемы заведения инфракрасного излучения в сферу выравнивания. Каждая из этих схем была проверена экспериментально и получены удовлетворительные результаты по выравниванию криослоя изотопов водорода инфракрасным нагревом, один из которых приведен на фиг. 8.
Бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке представляет собой металлическую конструкцию из двух симметричных половин 1 и 2, выполненных из меди марки M1 с углублениями на внутренней поверхности в форме полусфер, которые в собранном виде представляют сферическую полость - сферу выравнивания 3. которая должна обеспечить однородный тепловой нагрев криогенного слоя в результате многократного переотражения инфракрасного излучения. На каждую полусферу нанесено покрытие из золота (толщиной ~1 мкм) для лучшего отражения инфракрасного излучения. В центре сферы выравнивания расположена сферическая оболочка 4 (диаметром от 1,3 до 2 мм с толщиной стенки от 10 до 30 мкм), удерживаемая на капилляре для напуска изотопов водорода 5 (сложносоставной капилляр с переходным диаметром от 20 мкм до 1 мм), который заведен в отверстие в боксе 6, в реализованном изобретении его диаметр равен ∅1.1 мм. В бокс также заведен капилляр для напуска гелия 7 (диаметром 1 мм из стали 12Х18Н10Т) через соответствующее отверстие 8, в реализованном изобретении его диаметр равен ∅1,1 мм.
В боксе выполнены окна 9 для наблюдения за поведением криослоя в оболочке, в реализованном изобретении их диаметр равен ∅2 мм, окно 10 для ввода инфракрасного излучения выполнено большего размера и в реализованном изобретении равен ∅3 мм. Также на одной из сторон бокса выполнено дополнительное отверстие 11 для ввода инфракрасного излучения. Окна 9, 10 и дополнительное отверстие 11 герметизируются пленкой 12 из лавсана толщиной 2,5 мкм. Для соединения половин конструкции в единый бокс в конструкции выполнены резьбовые соединения 13.
Сборка бокса происходит в 3 этапа: сборка оболочки 4 и капилляра напуска изотопов водорода 5, сборка половин конструкции 1 и 2 с оболочкой 4 внутри, установка собранного бокса в криостат на столик второй ступени 14.
Основной задачей при сборке является обеспечение герметичности бокса и капилляров для напуска рабочих газов (гелий, изотопы водорода) с учетом их использования при криогенных температурах. При этом должна также обеспечиваться простота монтажа бокса и надежность его соединении с учетом небольшого размера экспериментальных сборок.
Заведение инфракрасного излучения 15 выполняется как по схеме внешнего заведения пучка излучения через окно бокса (фиг. 4, фиг. 6), так и для заведения оптоволокна 16 внутрь бокса (фиг. 5, фиг. 7).
-8
Бокс проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке представляет собой систему изолированных газовых объемов с различным давлением. Сферическая оболочка 4 закреплена в металлической конструкции из двух половин 1 и 2, которая установлена в рабочую зону криостата 17. откачиваемую до высокого вакуума до 10 мбар. Металлическая конструкция выполняет функцию контейнера с хорошими теплообменными свойствами, в сферическую полость 3 через вклеенный капилляр 7 напускается гелий давлением 0,1 мбар, который выполняет функцию теплообменного таза для выравнивания температуры поверхности сферической оболочки 4. Оболочка 4 в свою очередь через капилляр 5 наполняется изотопами водорода в газовой фазе до давлений порядка 1 бар. Главным критерием успешного эксперимента является полная герметичность сборки половин конструкции 1 и 2 и, соответственно, отсутствие утечек гелия из бокса в объем криостата 17 и изотопов водорода из оболочки 4 в сферическую полость 3 или в объем криостата 17 в процессе проведения эксперимента.
Эксперименты по получению криогенного слоя изотопов водорода производятся в несколько этапов:
1) Монтаж криоэкрана 18 и корпуса криостата 17.
-4
2) Откачка рабочего объема криостата и систем напуска рабочих газов (гелий, изотопы водорода) с помощью форвакуумного и турбомолекулярного насосов до 10 мбар.
3) Охлаждение экспериментальной сборки до 20 K.
4) Напуск теплообменного газа гелия в сферическую полость 3 (до 0,1 бар).
5) Напуск изотопов водорода в сферическую оболочку 4 (от 0,3 до 1 бар).
6) Охлаждение сборки до температуры тройной точки, дозирование количества жидкости в оболочке до необходимого уровня.
7) Понижение температуры с заданными параметрами скорости до полного преобразования жидкой фазы в твердую.
8) Перераспределение льда в оболочке 4 с помощью инфракрасного нагрева.
9) Диагностика полученного слоя, расчет параметров разнотолщинности.
Процесс формирования криогенного слоя льда в оболочке 4 происходит в соответствии с фиг. 8.
Для осуществления метода инфракрасного выравнивания необходимо завести инфракрасное излучение 13 с длиной волны, соответствующей пику поглощения вещества криослоя в сферическую полость 3 (любым из предложенных вариантов, указанных на фиг. 4-7), вследствие чего криослой изотопов водорода начинает поглощать инфракрасное излучение и нагревается. При этом область с толстым сдоем льда становится более нагретой, а с тонким слоем менее нагретой, в результате чего происходят перераспределение вещества и выравнивание слоя по толщине.
Сфера выравнивания 3 должна обеспечить однородный тепловой нагрев криогенного слоя в результате многократного переотражения инфракрасного излучения 15. Для лучшего отражения инфракрасного излучения на каждую полусферу нанесено покрытие из золота (толщиной ~1 мкм).
Для выравнивания криогенного сдоя дейтерия используется лазер среднего инфракрасного диапазона с центральной длиной волны 3,6 мкм (пик поглощения дейтерия) и выходом под оптоволокно 16. Для схемы внешнего заведения инфракрасного излучения (фиг. 4, 6) оптоволокно 16 закрепляется на 5-координатном столике, что позволяет направлять излучение под различными углами, ограничиваясь лишь апертурой смотровых окон бокса, криоэкрана и оптическою стакана криостата. Для схемы внутреннего заведения (фиг. 5, 7) оптоволокно 16 заводится в полость криостата через отверстие 11 и герметично заклеивается.
Результат одного из экспериментов по формированию криогенного слоя дейтерия показан на фиг. 8. Эксперимент проводился в боксе с внутренней сферой выравнивания 3 диаметром 10 мм с золотым напылением. Разнотолщинность криослоя составила 0,5% при средней толщине криослоя 208 мкм.
Проведенная серия экспериментов по получению равнотолщинного криослоя изотопов водорода в оболочке и получившиеся результаты, удовлетворяющие заданным требованиям параметров слоя, позволяют сделать вывод о том, что технический результат достигнут, а именно в конструкции бокса реализована возможность использования различных схем заведения инфракрасного излучения в бокс при уменьшении ее массогабаритных параметров и упрощении конструкции бокса.