Спосіб отримання високотемпературної плазми
Використання: фізика плазми і технології, що використовують плазму в якості робочого середовища, може бути приблизно при створенні термоядерних установок, нових потужних лазерів, плазмових двигунів та ін. накопичення магнітної енергії у робочому середовищі. Іонізацію здійснюють у момент досягнення максимуму струму в накопичувачі, після чого обривають струм, що протікає через індуктор. 2 іл.
Винахід відноситься до фізики плазми та технологій, що використовують плазму як активне середовище, і може бути приблизно при створенні термоядерних установок, нових потужних лазерів, плазмових двигунів та ін.
Відомо багато способів отримання високотемпературної плазми, при яких використовують перебіг струму плазмою для її нагрівання. Це може бути лінійний розряд зі струмом до кількох мегаампер і часом кілька мікросекунд.
Недоліком такого способу є короткий час життя плазми, пов'язаний із шпинганням плазмового шнура.
Відомий також спосіб отримання високотемпературної плазми за допомогою НВЧ розряду [1] Недоліки цього способу полягають у швидкому зростанні відбиття НВЧ - енергії від області розряду при зростанні температури плазми і, як наслідок, неможливості досягнення високих температур плазми, як правило, не перевищують 10 000 К .
Найбільш близьким по технічній сутності і досягається ефект винаходу є спосіб отримання високотемпературної плазми, який полягає в іонізації робочого середовища і збудженні в ній вихрового струму шляхом імпульсної зміни величини струму, що протікає через обмотку індуктора, навколишнього обсяг з робочим середовищем [2]термоядерних установках типу Токамак, Компактний Тор та ін.
Недоліком такого способу є ефект сканування, при якому зі зростанням температури і електропровідності енергія, що підводиться до плазми, виділяється в тонкому зовнішньому шарі плазми, що обмежує температуру одержуваної плазми і час її життя. У всіх перерахованих способах енергія до плазми підводиться ззовні у процесі нагрівання плазми.
Крім того відомий спосіб перетворення запасеної магнітної енергії в кінетичну енергію прискорюваного тіла (3), що полягає в накопиченні магнітної енергії в обсязі понижуючого трансформатора струму з розімкнутою вторинною обмоткою, замиканні цієї обмотки в момент максимуму струму з подальшим обривом струму в первинний.
Мета винаходу-отримання високотемпературної плазми, що володіє великим енергозапасом і, як наслідок, підвищеним часом життя.
Для досягнення поставленої мети попередньо здійснюють накопичення магнітної енергії електричного струму в обсязі з робочим середовищем за допомогою індуктивного накопичувача, в момент досягнення максимуму струму проводять іонізацію в цьому середовищі і обривають струм первинної обмотки індуктивного накопичувача.
Індуктивні накопичувачі є найбільш енергоємністю за щільністю електромагнітної енергії, що запасається. Вони застосовані в заявленому способі отримання високотемпературної плазми.
Сутність способу полягає в наступному: якщо взяти індуктивний накопичувач енергії у вигляді соленоїда, намотаного на циліндричну камеру з робочим газом, то велика частина енергії, що запасається в цьому випадку сконцентрована всередині такої камери. Якщо в момент максимуму струму (енергії) провести іонізацію газу і розігріти отриману плазму до отримання високої електропровідності, а потім обірвати струм,зберігає потік і енергію всередині себе. Саме перебування енергії всередині самої плазми забезпечуватиме її розігрів та час життя. Таким чином, у даному випадку здійснено перетворення запасеної магнітної енергії на енергію плазми, що до теперішнього часу не застосовувалося.
Чисельний приклад розрахунку електропровідності плазми для повітря при атмосферному тиску наведено (1, стор.330). Показано, що найбільша щільність кільцевого струму в плазмі в скін-шарі товщиною 0,27 см досягає 500 А/см 2 або 130 А/см довжини, що порівняно стоком в соленоїді на 1 см довжини, тобто з числом ампер-витків . Температура плазми у своїй 10 000К. Напруженість електричного поля 20 В/см.
Різні способи розриву струму дають напругу в місці розриву порядку десятків кіловольт, відповідно на внутрішній плазмовий виток прикладається напруга в N разів менше, де N число витків індуктивного накопичувача, що охоплюють об'єм з газом (як правило, фронт обриву струму кілька мікросекунд, що веде до цьому, при ідеальному перериванні струму можна було б отримати на вторинному витку локальну напруженість електричного поля таку ж, як і на первинній обмотці), а струм, що виникає в ньому, в N разів більше як і в звичайному трансформаторі з одновитковою вторинною обмоткою. Це накладає дуже жорсткі вимоги до електропровідності плазми. Фактично в газі повинен загорятися кільцевий дуговий розряд при напруженості порядку вольта на сантиметр по всьому внутрішньому периметру камери.
Такий плазмовий виток зі струмом (Компактний тор) може бути легко відірваний від стінки камери і переміщений в іншу область під дією струму в керуючій обмотці як це здійснено в [4] Велика енергія, що запасається всередині самої плазми дозволяє утримувати такий розряд впротягом досить тривалого часу.
Спосіб може бути використаний для термоядерних досліджень, накачування лазерних середовищ, для створення плазмових прискорювачів і т.д.
Сутність винаходу реалізована і пояснюється фігурами 1 і 2. На фігурах і в тексті прийняті наступні позначення: 1 циліндрична камера з дзеркальним і прозорим торцями, 2 обмотка індуктивного накопичувача енергії, 3 первинний накопичувач енергії для живлення індуктивного накопичувача, 4 додаткова конденсатор плазми, 5 переривник струму, 6 електронно-оптичний перетворювач, 7 фотодіод, На фігурі 2 показані: J1 струм у первинній обмотці індуктивного накопичувача 3, пунктиром показаний струм без переривання, кА, крива Il; Vp напруга, що виникає при перериванні струму первинному індуктивному накопичувачі, кВ, крива II; J2 розрядний струм конденсаторної батареї 4 для вихрового розігріву плазми, КА, крива III; Vfd сигнал із фотодіода на мікросекундній розгортці, B, крива IV; Vfd сигнал із фотодіода на мілісекундній розгортці, B, крива V.
На камеру у вигляді тонкостінної труби виніпластової 1 діаметром 120 мм намотаний короткий N=15 витків соленоїд 2, що запитується від конденсаторної батареї 3 (3-36 мкФ, 20 кВ). У розрядний ланцюг включений переривник струму 5 на дроті, що вибухає, товщина і довжина якої підбиралася для переривання струму в його максимумі.
Сама камера 1 могла відкачуватися до тиску 150 Торр.
У камері запалювався розряд від окремого генератора 10 кА, 5 мксек (на фігурі не показано). Крім того, від окремої батареї 4 (3 мкф, 20 кВ) перед обривом струму проводився додатковий вихровий розігрів плазми. Один торець камери виконаний дзеркальним, інший закритий прозорим вікном.
В експериментіреєструвалися інтенсивність і тривалість світіння плазми за допомогою фотодіода 7, вимірювався струм в обох батареях, напруга, що виникають при обриві струму, а також фотографувалося світіння плазми з торця камери за допомогою електронно-оптичного перетворювача (ЕОП) 6, що дозволяло вести покадрову часи життя плазми.
Оскільки енергії, що запасається в батареях, у цьому демонстраційному експерименті було недостатньо для отримання високого ступеня іонізації та температури плазми і відповідно не досягалася необхідна електропровідність плазми, частина внутрішньої поверхні камери була викладена незамкненим металевим витком. Він перешкоджав запасенню енергії, але легко замикався бетатронним розрядом. Таким чином, при обриві струму від основної батареї струм струм як по металу, так і по плазмі. На наведених осцилограмах видно, як різко обривається струм, що говорить про "заморожування" енергії в плазмі і як при цьому зростає тривалість свічення плазми. Якщо бетатронний розряд давав тривалість світіння кілька десятків мікросекунд, то із запасом енергії всередині самої плазми тривалість життя зростала до кількох мілісекунд.
Як показали попередні випробування заявленого способу, він може бути ефективно використаний для проведення термоядерних досліджень, накачування лазерних середовищ при створенні плазмових прискорювачів.
Література 1. Ю. Р. Райзер. Основи сучасної фізики газорозрядних процесів Москва, Наука, стор 336 338.
2. С.Ю. Лук'янов. Гаряча плазма та керований ядерний синтез. М. Наука, 1975, с. 359361, 3. S. K. Singh та ін. al. Designs of pulsed power cryogenic transformes. IEEE Trasnsactions on manetics, vol. 24, No 2, p. 1504 1507, Березень 1988.
4. Підсумки науки та техніки,Фізика плазми, т. 7, Москва, 1985.
Спосіб отримання високотемпературної плазми в магнітному полі, що полягає в іонізації робочого середовища і збудженні в ній вихрового струму шляхом імпульсної зміни величини струму, що протікає через індуктор, що охоплює об'єм з робочим середовищем, який відрізняється тим, що для збудження вихрового струму використовують індуктивний накопичувач попередньо здійснюють накопичення магнітної енергії в робочому середовищі, а іонізацію здійснюють у момент досягнення максимуму струму в накопичувачі, після чого обривають струм, що протікає через індуктор.