СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЫСТРЫХ ПОТОКОВ ПЛАЗМЫ Российский патент 1997 года по МПК H05H1/54 

Изобретение относится к плазменной и ядерной технике и может быть использовано в устройствах инжектирования плазмы в термоядерные ловушки, в плазменной технологии. Изобретение также относится к космической технике и может быть использовано в электрореактивных двигательных установках.

Известен способ получения быстрых частиц (ионов, атомов, молекул) (Семашко Н. Н. и др. Инжекторы быстрых атомов водорода. М. Энергоатомиздат, 1981), заключающийся в получении ионов рабочего вещества, их ускорении в электростатических полях и последующей перезарядкой (нейтрализацией) на перезарядных мишенях.

Однако такой способ имеет ограничение на интенсивность выходного потока частиц и невысокий КПД.

Известен способ получения высокоэнергичных частиц (Саранцев В.П. Перельштейн Э. А. Коллективное ускорение ионов электронными кольцами. М. Атоимиздат, 1979), заключающийся в формировании заряженного электронного кольца тороидальной формы, его частичную загрузку тяжелыми частицами (ионами) и последующим ускорением кольца, суммарный заряд которого отрицательный, во внешних электрических и магнитных полях.

Однако, такой способ имеет малое число ускоренных частиц, малый КПД и большую техническую сложность реализации.

Наиболее близким к изобретению является способ индукционного ускорения плазмы (Шпигель И.С. Ускорение плазмы. Журнал экспериментальной и теоретической физики. М. Издательство АН СССР, 1959, Т. 36, В.2, С. 411; патент ФРГ N 1220530, H 05 H 1/00, публикация 1966), включающий напуск газа в область формирования плазмы, ионизацию газа, индуцирование в образовавшейся плазме токов путем изменения внешнего магнитного поля, пронизывающего плазму, воздействие на плазму, обеспечивающее ее пространственную задержку и ускорение плазмы при воздействии на нее внешнего поля. Ускорение является результатом взаимодействия азимутальных плазменных токов с радиальной компонентой магнитного поля, приводящее к возникновению сил Ампера-Лоренца, действующих в аксиальном направлении.

Основные недостатки способа низкий КПД (5-10%) и малая энергия частиц плазмы на выходе ускорителя. Причина этого заключается в том, что коэффициент преобразования (КП) энергии накопителя в энергию плазмы в существующем способе слишком мал. При протекании тока через индуктор, плазма, двигаясь с большим ускорением, слишком быстро отходит от витка. Более того, взаимодействие индукционных плазменных токов с аксиальной компонентой магнитного поля приводит к сжатию плазмы к оси, аналогично сжатию плазмы в индукционных пинчах. Оба фактора приводят к тому, что в плазму может передаваться лишь малая часть запасенной энергии.

Целью изобретения является повышение эффективности ускорения за счет увеличения КП и КПД и многократного увеличения энергии ускоренных частиц.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения быстрых потоков плазмы, включающем напуск газа в область формирования плазмы, ионизацию газа, индуцирование в плазме токов путем изменения внешнего магнитного поля, воздействие на плазму, обеспечивающее ее пространственную задержку и ускорение плазмы при воздействии на нее внешним магнитным полем, ускорение плазмы осуществляют после задержки плазмы в области ее формирования в течение времени индуцирования токов.

Кроме того, индуцирование токов осуществляют изменением величины магнитного поля.

Кроме того, индуцирование токов осуществляют изменением направления магнитного поля на противоположное.

На фиг. 1 представлено начальное состояние плазмы; на фиг. 2 конечное; на фиг. 3 схема устройства, с помощью которого может быть реализован способ; на фиг. 4 схема согласования магнитного поля инжектора по магнитному полю термоядерного реактора.

Способ заключается в следующем. В область формирования плазменного сгустка, образованную внешним магнитным полем B_нач (фиг. 1) напускают рабочий газ. После того, как газ заполнит всю область формирования, но еще не успеет расшириться в область ускорения, производят ионизацию нейтрального газа, в результате чего образуется хорошо проводящая плазма, захватывающая начальный магнитный поток. Затем уменьшают величину магнитного поля до нуля, меняют направление на противоположное, после чего увеличивают до значения B_кон (фиг. 2). В процессе изменения поля меняется и магнитный поток, пронизывающий плазменный сгусток, поэтому в плазме индуцируются токи. На протяжении всего времени индуцирования токов осуществляют задержку плазмы в области формирования, например, с помощью магнитного поля, препятствующего выходу сгустка в зону ускорения.

Аксиальная компонента внешнего магнитного поля, взаимодействуя с индукционными плазменными токами, стремится сжать плазму к оси, в то время как силы собственного электродинамического расталкивания токов стремятся его расширить. Поскольку в плазме существует вмороженный магнитный поток, сила расталкивания может уравновесить силу сжатия. Возникает антикомпрессия, при которой равновесный радиус сгустка не уменьшается до газокинетического, а изменяется в соответствии с законом

где r_нач, r_кон начальный и конечный радиусы плазменного сгустка;
B_нач, B_кон начальное и конечное значения индукции внешнего магнитного поля;
α <1 числовой коэффициент, зависящий от формы плазменного сгустка.

После того, как изменение магнитного поля завершено, плазма обладает запасом индуктивной потенциальной энергии

В этот момент осуществляют ускорение плазмы, воздействием радиальной компоненты внешнего магнитного поля. Сгусток выводится в область ускорения, где движется под действием силы Ампера
F_z = 2πr_плI_плB_r (3)
Аксиальные тяговые силы достигают огромных значений: на каждый ион действует сила с эффективной напряженностью

N_i число ионов в сгустке, v_e азимутальная скорость электронов в плазме на равновесной орбите. Эта сила возникает при поляризации плазмы и обусловлена частичным разделением электронной и ионной компонент, вследствие действия на электроны, со стороны внешнего магнитного поля осевых сил Лоренца F_e= ev_eB_r. В предельном случае бетатронного режима v_e=c и при B_r=1 Тл E_iэфф= 3•10⁸ В/м.

В процессе движения вдоль оси системы индуктивная энергия плазменных токов трансформируется в кинетическую энергию направленного движения частиц, образующих плазму. Полная трансформация происходит, если в момент завершения ускорения ток плазменного сгустка равен нулю, то есть выполнено условие согласования.

Пример. На фиг. 3 приведено одно из возможных устройств, с помощью которого может быть реализован заявляемый способ. Оно содержит вакуумную камеру 1, образованную цилиндрической трубкой 2 (область ускорения) и силовой разрядный виток 3 (индуктор), помещенный внутрь магнитной катушки 4 (область формирования). К вакуумной камере примыкает система для напуска рабочего газа 5. Устройство также содержит вспомогательный разрядный виток 6, энергетические накопители C₀, C₁, C₂, соединенные с управляемыми разрядниками P₀, P₁, P₂ и схему питания и управления 7.

Способ осуществляют следующим образом. В область формирования плазменного сгустка осуществляют напуск рабочего газа. Путем разряда накопителя C₂ на катушку 4 с последующим ее соединением накоротко, в камере создается магнитное поле B₁, имеющее пробную конфигурацию. Далее производят разряд основного накопителя C₀ на силовой виток 3 (индуктор), создавая магнитное поле B₂. В момент, когда индукционное поле достигает максимального значения, газ ионизируют любым известным способом. Начальные направления полей B₁ и B₂ могут как совпадать, так и быть противоположными. В первом случае суммарное начальное магнитное поле B_нач= B₁+B_2max во втором B_нач=B₁+B_2max (фиг. 3), причем B_2max>B₁.

В следствие дальнейшего уменьшения индукционного поля, суммарное уменьшается до нуля, меняет направление на противоположное и возрастает до B_кон= B₁-B_2max в первом случае, или до B_кон=B₁+B_2max во втором. В процессе такого изменения в плазме индуцируются токи и запасается энергия, причем в течение всего времени изменения магнитного поля сгусток находится в области формирования. Выходу плазмы в зону ускорения препятствует пробочное магнитное поле катушки. Для ускорения осуществляют разряд накопителя C₁ на вспомогательный виток 6. Плазма выходит из магнитной потенциальной ямы и начинает ускорение под действием всех трех полей: поля катушки, индуктора и вспомогательного витка.

При движении во внешних полях магнитная энергия индукционных токов переходит в кинетическую энергию направленного движения частиц плазмы. Для полной трансформации необходимо согласование полей. Если, например, плазма инжектируется в термоядерный реактор (фиг. 4), то начальное поле в инжекторе должно быть приблизительно равно полю реактора и иметь с ним одно направление (то есть поле катушки B₁, инжектора на фиг. 3, противоположно реакторному полю B₃).

Приведем численный пример. Пусть энергозапас основного накопителя W=10 кДж, число ионов в плазме N_i=10¹⁷, тогда при КП η = 0,2 энергия инжектируемых частиц составит W_i = ηW/N_i = 125 кэВ Остальная часть неизрасходованной энергии ~ (1-η)W возвращается обратно в накопитель посредством колебательного процесса в цепи накопитель-индуктор и используeтся в следующих циклах ускорения.

Использование: в плазменной и ядерной технике, может применяться для инжектирования потоков плазмы в термоядерных ловушках, а также в плазменной технологии. Сущность изобретения: способ получения быстрых потоков плазмы включает напуск газа в область формирования плазмы, ионизацию газа, индуцирование в плазме токов путем изменения внешнего магнитного поля, пронизывающего плазму, и ускорение плазмы при воздействии на нее внешним магнитным полем. Индуцирование токов осуществляют изменением величины или направления магнитного поля на противоположное. Ускорение плазмы осуществляют после задержки плазмы в области ее формирования в течение времени индуцирования токов. Использование изобретения позволяет повысить эффективность ускорения потоков плазмы за счет уменьшения потерь и увеличения энергии ускоренных частиц. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ получения быстрых потоков плазмы, включающий напуск газа в область формирования плазмы, ионизацию газа, индуцирование в плазме токов путем изменения внешнего магнитного поля, пронизывающего плазму, воздействие на плазму, обеспечивающее ее пространственную задержку, и ускорение плазмы при воздействии на нее внешним магнитным полем, отличающийся тем, что ускорение плазмы осуществляют после задержки плазмы в области ее формирования в течение времени индуцирования токов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что индуцирование токов осуществляют изменением величины внешнего магнитного поля. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что индуцирование токов осуществляют изменением направления внешнего магнитного поля на противоположное.