СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ Российский патент 1997 года по МПК H05H1/00 H05H1/46 

Изобретение относится к физике плазмы и технологиям, использующим плазму в качестве активной среды, и может быть примерно при создании термоядерных установок, новых мощных лазеров, плазменных двигателей и пр.

Известно много способов получения высокотемпературной плазмы, при которых используют протекание тока по плазме для ее нагрева. Это может быть линейный разряд с током до нескольких мегаампер и временами несколько микросекунд.

Недостатком такого способа является короткое время жизни плазмы, связанное с пинчеванием плазменного шнура.

Известен также способ получения высокотемпературной плазмы с помощью СВЧ разряда [1]
Недостатки этого способа заключаются в быстром росте отражения СВЧ - энергии от области разряда при росте температуры плазмы и, как следствие, невозможности достижения высоких температур плазмы, как правило, не превышающих 10 000 К.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту изобретению является способ получения высокотемпературной плазмы, который заключается в ионизации рабочей среды и возбуждении в ней вихревого тока путем импульсивного изменения величины тока, протекающего через обмотку индуктора, окружающего объем с рабочей средой [2]
Способ используется в термоядерных установках типа Токамак, Компактный Тор и др.

Недостатком такого способа является эффект сканирования, при котором с ростом температуры и электропроводности подводимая к плазме энергия выделяется в тонком наружном слое плазмы, что ограничивает температуру получаемой плазмы и время ее жизни. Во всех перечисленных способах энергия к плазме подводится извне в процессе нагрева плазмы.

Кроме того известен способ преобразования запасенной магнитной энергии в кинетическую энергию ускоряемого тела (3), заключающийся в накоплении магнитной энергии в объеме понижающего трансформатора тока с разомкнутой вторичной обмоткой, замыкании этой обмотки в момент максимума тока с последующим обрывом тока в первичной обмотке.

Цель изобретения получение высокотемпературной плазмы, обладающей большим энергозапасом и, как следствие, повышенным временем жизни.

Для достижения поставленной цели предварительно осуществляют накопление магнитной энергии электрического тока в объеме с рабочей средой с помощью индуктивного накопителя, в момент достижения максимума тока проводят ионизацию в этой среде и обрывают ток в первичной обмотке индуктивного накопителя.

Индуктивные накопители являются наиболее энергоемкости по плотности запасаемой электромагнитной энергии. Они применены в заявленном способе для получения высокотемпературной плазмы.

Сущность способа заключается в следующем: если взять индуктивный накопитель энергии в виде соленоида, намотанного на цилиндрическую камеру с рабочим газом, то большая часть запасаемой энергии в этом случае сконцентрирована внутри такой камеры. Если в момент максимума тока (энергии) произвести ионизацию газа и разогреть полученную плазму до получения высокой электропроводности, а затем оборвать ток, сохраняющий поток так и энергию внутри самой себя. Именно нахождение энергии внутри самой плазмы будет обеспечивать ее разогрев и время жизни. Таким образом, в данном случае осуществлено преобразование запасенной магнитной энергии в энергию плазмы, что до настоящего времени не применялось.

Численный пример расчета электропроводности плазмы для воздуха при атмосферном давлении приведен в (1, стр.330). Показано, что наибольшая плотность кольцевого тока в плазме в скин-слое толщиной 0,27 см достигает 500 А/см² или 130 А/см длины, что сравнимо стоком в соленоиде на 1 см длины, т. е. с числом ампер-витков. Температура плазмы при этом 10 000К. Напряженность электрического поля 20 В/cм.

Различные способы разрыва тока дают напряжение в месте разрыва порядка десятков киловольт, соответственно на внутренний плазменный виток прикладывается напряжение в N раз меньше, где N число витков индуктивного накопителя, охватывающих объем с газом (как правило, фронт обрыва тока несколько микросекунд, что и ведет к этому, при идеальном прерывании тока можно было бы получить на вторичном витке локальную напряженность электрического поля такую же, как и на первичной обмотке), а ток, возникающий в нем, в N раз больше как и в обычном понижающем трансформаторе с одновитковой вторичной обмоткой. Это накладывает весьма жесткие требования к электропроводности плазмы. Фактически в газе должен загораться дуговой кольцевой разряд при напряженности порядка вольта на сантиметр по всему внутреннему периметру камеры.

Такой плазменный виток с током (Компактный тор) может быть легко оторван от стенки камеры и перемещен в другую область под действием тока в управляющей обмотке как это осуществлено в [4]
Большая запасаемая энергия внутри самой плазмы позволяет удерживать такой разряд в течение достаточно длительного времени.

Способ может быть использован для термоядерных исследований, для накачки лазерных сред, для создания плазменных ускорителей и т.д.

Сущность изобретения реализована и поясняется фигурами 1 и 2. На фигурах и в тексте приняты следующие обозначения:
1 цилиндрическая камера с зеркальным и прозрачным торцами,
2 обмотка индуктивного накопителя энергии,
3 первичный накопитель энергии для питания индуктивного накопителя,
4 дополнительная конденсаторная батарея для вихревого разогрева плазмы,
5 прерыватель тока,
6 электронно-оптический преобразователь,
7 фотодиод,
На фигуре 2 показаны:
J₁ ток в первичной обмотке индуктивного накопителя 3, пунктиром показан ток без прерывания, кА, кривая Il;
V_p напряжение, возникающее при прерывании тока в первичном индуктивном накопителе, кВ, кривая II;
J₂ разрядный ток конденсаторной батареи 4 для вихревого разогрева плазмы, кА, кривая III;
V_fd сигнал с фотодиода на микросекундной развертке, B, кривая IV;
V_fd сигнал с фотодиода на миллисекундной развертке, B, кривая V.

На камеру в виде тонкостенной винипластовой трубы 1 диаметром 120 мм намотан короткий N=15 витков соленоид 2, запитываемый от конденсаторной батареи 3 (3-36 мкФ, 20 кВ). В разрядную цепь включен прерыватель тока 5 на взрывающейся проволоке, толщина и длина которой подбиралась для прерывания тока в его максимуме.

Сама камера 1 могла откачиваться до давления 1 50 Торр.

В камере зажигался разряд от отдельного генератора 10 кА, 5 мксек (на фигуре не показан). Кроме того, от отдельной батареи 4 (3 мкф, 20 кВ) перед обрывом тока производился дополнительный вихревой разогрев плазмы. Один торец камеры выполнен зеркальным, а другой закрыт прозрачным окном.

В эксперименте регистрировались интенсивность и длительность свечения плазмы с помощью фотодиода 7, измерялся ток в обеих батареях, напряжение, возникающие при обрыве тока, а также фотографировалось свечение плазмы с торца камеры с помощью электронно-оптического преобразователя (ЭОП) 6, что позволяло вести покадровую съемку в различные времена жизни плазмы.

Поскольку энергии, запасаемой в батареях, в этом демонстрационном эксперименте было недостаточно для получения высокой степени ионизации и температуры плазмы и соответственно не достигалась необходимая электропроводность плазмы, то часть внутренней поверхности камеры была выложена незамкнутым металлическим витком. Он не препятствовал запасению энергии, но легко замыкался бетатронным разрядом. Таким образом, при обрыве тока от основной батареи ток тек как по металлу, так и по плазме. На приведенных осциллограммах видно как резко обрывается ток, что говорит о "замораживании" энергии в плазме и как при этом возрастает длительность свечения плазмы. Если бетатронный разряд давал длительность свечения несколько десятков микросекунд, то с запасением энергии внутри самой плазмы длительность жизни возрастала до нескольких миллисекунд.

Как показали предварительные испытания заявленного способа, он может быть эффективно использован для проведения термоядерных исследований, накачки лазерных сред, при создании плазменных ускорителей.

Литература
1. Ю. Р. Райзер. Основы современной физики газоразрядных процессов. Москва, Наука, стр. 336 338.

2. С.Ю. Лукьянов. Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. М. Наука, 1975, с. 359 361,
3. S. K. Singh et. al. Designs of pulsed power cryogenic transformes. IEEE Trasnsactions on manetics, vol. 24, No 2, p. 1504 1507, March 1988.

4. Итоги науки и техники, Физика плазмы, т. 7, Москва, 1985.

Использование: физика плазмы и технологии использующие плазму в качестве рабочей среды, может быть примерно при создании термоядерных установок, новых мощных лазеров, плазменных двигателей и пр. Сущность изобретения: для увеличения температуры плазмы и времени ее жизни используют индуктивный накопитель, с помощью которого предварительно осуществляют накопление магнитной энергии в рабочей среде. Ионизацию осуществляют в момент достижения максимума тока в накопителе, после чего обрывают ток, протекающий через индуктор. 2 ил.

Способ получения высокотемпературной плазмы в магнитном поле, заключающийся в ионизации рабочей среды и возбуждении в ней вихревого тока путем импульсного изменения величины тока, протекающего через индуктор, охватывающий объем с рабочей средой, отличающийся тем, что для возбуждения вихревого тока используют индуктивный накопитель, с помощью которого предварительно осуществляют накопление магнитной энергии в рабочей среде, а ионизацию осуществляют в момент достижения максимума тока в накопителе, после чего обрывают ток, протекающий через индуктор.