УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ МАГНИТНОЙ ЛОВУШКИ "МАГНИТНАЯ ЛОВУШКА БОГДАНОВА" Российский патент 1998 года по МПК H05H1/02 

Изобретение относится к устройствам для создания магнитных ловушек для удержания плазмы, в частности, может быть использовано в области работ по реализации управляемого термоядерного синтеза.

Известно устройство для создания магнитной ловушки - пробкотрон, содержащее катушку с магнитными пробками, создающую осесимметричное магнитное поле. Недостатком такой конструкции является то, что напряженность магнитного поля максимальна на оси катушки и равномерно спадает по мере удаления от оси, вследствие чего в плазме возникает желобковая неустойчивость, заключающаяся в том, что частицам плазмы энергетически выгодно занимать пространство с меньшим магнитным полем, в область которого устремляются плазменные образования в виде желобков и в направлении поперек оси покидают ловушку [1] .

Известно устройство для создания магнитной ловушки антипробкотрон, содержащее две соосные катушки, расположенных по разные стороны от центра ловушки, после которых противоположно направлено. Недостатком антипробкотрона является равенство нулю поля в центре ловушки, приводящее к нарушению адиабатической инвариантности, вследствии чего частицы плазмы интенсивно уходят вдоль плоскости, перпендикулярной оси и проходящей через его центр [1].

Известно устройство для создания магнитной ловушки "Ловушка Лаврентьева", представляющая собой антипробкотрон с системой запирания пробок, содержащее источник плазмы и катушки, включенные навстречу, система запирания пробок выполнена в виде системы электродов, поле которых направлено к центру ловушки [1] . Недостатком такой ловушки является то, что она позволяет уходить из ловушки ионам, выпадающим в конус потерь, и, тем самым, лишь частично устраняет недостатки антипробкотрона.

Задачей, стоящей перед изобретением, является создание на оси устройства для создания магнитной ловушки в магнитной ловушке минимума магнитного поля без нарушения адиабатической инвариантности содержащейся в ней плазмы, устранение желобковой неустойчивости и увеличение времени удержания плазмы.

Указанная задача достигается тем, что в устройстве для создания магнитной ловушки, содержащем соосны магнитные катушки, выполненные с возможностью создавать около оси противоположно направленные магнитные поля, катушки вложены одна в другую и выполнены с возможностью создавать в сквозном осевом отверстии внутренней катушки магнитное поле, удовлетворяющее условию:

где
r - расстояние до оси катушек,
- модули магнитной индукции поля, создаваемого по отдельности внутренней и внешней катушкой соответственно.

Причем либо ловушка содержит систему запирания пробок, либо ловушка выполнена замкнутой. Система запирания пробок содержит концевой пробкотрон. Система запирания пробок содержит источник ВЧ электрического или электромагнитного поля. Система запирания пробок содержит систему электродов, выполненную с возможностью создания электрического поля не только в межэлектродном зазоре, но и на удалении от электродов, напряженность которого убывает пропорционально кубу расстояния до них.

Такое конструктивное использование создает в сквозном осевом отверстии внутренней катушки около оси в ограниченном объеме средней части отверстия устойчивый минимум магнитного поля. Находящаяся в этой области плазма будет в ней удерживаться без нарушения адиабатической инвариантности, в плазме будет устранена возможность возникновения желобковой неустойчивости, что приведет к увеличению времени удержания плазмы.

Не обнаружено технических решений, достигающих выполнения поставленной задачи аналогичными техническими средствами.

На фиг. 1 изображена схема магнитной ловушки с системой запирания пробок; на фиг. 2 - типичное распределение магнитной индукции внутри центральной части осесимметричной магнитной катушки с пробками на торцах в зависимости от расстояния до ее оси; на фиг. 3 - распределение магнитной индукции около оси катушки в зависимости от расстояния до ее оси для внутренней катушки 1 и для наружной катушки 2, удовлетворяющих условию, что модуль магнитной индукции около оси больше у наружной катушки, чем у внутренней, а модуль градиента этого модуля, наоборот, больше у внутренней, чем у наружной; на фиг. 4 изображена векторная сумма противоположно направленных магнитных полей соосных, вложенных одна в другую внутренней и наружной катушек, дающая минимум осесимметричного магнитного поля на оси; на фиг. 5 - система запирания пробок с двойным электрическим полем; на фиг. 6 - схема магнитной ловушки, выполненной закрытой.

Устройство для создания магнитной ловушки "Магнитная ловушка Богданова", далее в тексте просто ловушка, с системой запирания пробок изображена на фиг. 1. Ловушка содержит внутреннюю катушку 1, внешнюю катушку 2, систему запирания пробок 3. К ловушке присоединен источник плазмы 4. Внутренняя катушка 1 вложена во внешнюю катушку 2, на торцах катушек установлена система запирания пробок 3, соединенная с источником плазмы 4, выполненным с возможностью направлять плазму в сквозное осевое отверстие внутренней катушки. Внутренняя и внешняя ловушка выполнены осесимметричными катушками с пробками на торцах. Система запирания пробок может содержать либо концевой пробкотрон, либо источник высокочастотного /ВЧ/ электрического или электромагнитного поля, либо систему электродов. На фиг. 6 изображена схема магнитной ловушки, выполненной закрытой. К ловушке присоединен источник плазмы 5. Он соединен с внутренней катушкой 6 и внешней катушкой 7, вложенных одна в другую, выполнен с возможностью направлять плазму в сквозное осевое отверстие внутренней катушки 6. Внутренняя и внешняя катушка соединена с изогнутой внешней катушкой 9 и изогнутой внутренней катушкой 8, вложенных одна в другую. Внутри изогнутой внутренней катушки установлена система стабилизации плазмы 10, выполненная аналогично системе стабилизации плазмы токамака. Изогнутые внешняя и внутренняя катушка соединены с дополнительными внутренними и внешними катушками 11, 12, выполненными аналогично внутренней и внешней катушкам 6, 7. Вдоль осевой линии витков катушек выполнена замкнутая полость, в которой поддерживается вакуум. Внутренние катушки не должны содержать ферромагнитных материалов. Кроме предложенной схемы закрытой ловушки и ловушки с системой запирания пробок возможны другие варианты, все их объединяет условие, что они содержат по крайней мере пару вложенных друг в друга катушек, соосных выполненных с возможностью создавать в своем сквозном осевом отверстии противоположно направленные осесимметричные магнитные поля, которые по крайней мере в центральной области этого отверстия, создают поля, удовлетворяющие условию:

где
- модули магнитной индукции внутренней и внешней катушки, соответственно,
r - расстояние до оси катушек.

Ловушка работает следующим образом. На фиг. 2 изображено типичное распределение магнитной индукции внутри центральной части осесимметричной магнитной катушки с пробками на торцах в зависимости от расстояния до ее оси. Принципиально возможно путем подбора параметров внутренней и наружной катушек добиться того, чтобы около оси их магнитные поля были противоположны и около оси удовлетворяли условию:

где
r - расстояние до оси катушек,
- модули магнитной индукции внутренней и наружной катушек, соответственно.

Для осесимметричных магнитных катушек с магнитными пробками на торцах это условие изображено на фиг. 3. Магнитной индукции внутренней катушки соответствует кривая 1, а магнитной индукции наружной катушки соответствует кривая 2. В результате суперпозиции полей катушек около их общей оси магнитное поле будет иметь четкий минимум, показанный на фиг. 4. Вследствие этого в ловушке будет устранена желобковая неустойчивость находящейся в ней плазмы, в результате существенно возрастет время удержания плазмы в ловушке.

Поясним, как принципиально возможно достичь выполнения условия 1, дающее устойчивый минимум осесимметричного магнитного поля, изображено на фиг. 4.

Магнитные поля внутренней и внешней катушки B₀ и B₁ в центральной части внутреннего отверстия с уменьшением расстояния до оси r возрастают. Это реально выполняется в случае, если внутренняя и внешняя катушки выполнены осесимметричными с магнитными пробками на торцах, или, что то же самое, каждая из них выполнена в виде пробкотрона. Поле их в этом случае соответствует принципиальной картине поля фиг. 1. Простейшим случаем пробкотрона является магнитная катушка, содержащая два соосных витка с током, направление которого в витках совпадает. Магнитное поле каждого витка в произвольной точке пространства дается выражением [3] :


где
B_r - составляющая магнитной индукции, параллельная плоскости витка,
B_z - составляющая магнитной индукции, перпендикулярная плоскости витка,
r - расстояние от оси витка,
Z - расстояние от плоскости витка,
a - радиус витка,
μ₀ - магнитная проницаемость вакуума,
K, E - полные эллиптические интегралы 1 и 2 рода,
I - сила тока в витке.

Из этого выражения видно, что поле каждого витка в отдельности, а следовательно, и векторная суперпозиция полей, суммарное поле двух витков внутри центральной части промежутка между ними зависит только от двух параметров I и a, силы тока и радиуса витка, причем от силы тока I линейно. Это поле имеет принципиальный вид, изображенный на фиг. 1. Изменяя один параметр I для внешней катушки, достигаем выполнения условия:

Изменяя после этого второй параметр a для внутренней катушки, достигаем выполнения условия:

Эти две операции выполняются с помощью компьютера, и находится оптимальное соотношение между параметрами a и I для каждой катушки, внешней и внутренней, чтобы получить оптимальное соответствие, удовлетворяющее соотношению (1). Следует заметить, что основная новизна в том, что удается достичь минимума поля вдоль плоскости, проходящей через центр ловушки, перпендикулярной оси внутренней и внешней катушек. Минимум поля вдоль оси катушек достигается элементарным усилением силы тока на торцах внешней катушки.

Система запирания пробок с концевыми пробкотронами препятствуют вылету электронов из ловушки амбиполярным электрическим полем [1]. Система с ВЧ электрическим или электромагнитным полем увеличивает компоненты скоростей частиц, перпендикулярные магнитному полю и уменьшает вероятность их выпадания в конус потерь. ВЧ электромагнитное поле дополнительно направляет частицы в ловушку силой давления излучения. Система запирания пробок с системой электродов может быть двух типов 1. Электрическое поле в межэлектродном зазоре направлено от центра катушки. Ловушка задерживает электроны, имеющие меньшее время жизни в ловушке, а ионы теряются, уходя через пробки. 2. Создается двойное электрическое поле. В межэлектродном зазоре поле сильное, направлено к центру ловушки . Это поле возвращает в ловушку ионы. Большинство электронов на подлете из ловушки к зазору задерживаются создаваемым этими же электродами между центром ловушки и зазором дипольным электрическим полем , которое слабее поля в зазоре, но простирается на значительное расстояние от электродов, убывая пропорционально кубу расстояния до него [2] . Поскольку вследствие действия дипольного электрического поля на электроны в зазор между электродами их поступает совсем мало, то плотность тока ионов, ускоряемых полем в зазоре, определяется законом "трех вторых". Эта система запирания пробок двойным электрическим полем показана на фиг. 5. Дипольное электрическое поле образуется аналогично полю двойного электрического слоя.

Магнитные пробки в ловушке создается между торцами катушек 1, 2 и средней частью сквозного осевого отверстия, в которой выполняется условия (1) и создается область минимума магнитного поля. В области пробок магнитное поле внешней катушки усиливается настолько, что условие (1) в этой области может перестать выполняться. Это не скажется отрицательно на удержании плазмы в области центра сквозного осевого отверстия катушек, поскольку там создается минимум, магнитного поля.

Ловушка, выполненная закрытой, работает следующим образом. Источник плазмы 5 направляет плазму в сквозное осевое отверстие внутренней катушки 6. Внутренняя катушка 6 и внешняя катушка 7 создают противоположно направленные поля в сквозном осевом отверстии внутренней катушки 6, удовлетворяющие в центральной части этого отверстия условию (1). В этой области образуется устойчивый минимум магнитного поля, в котором удерживается плазма. Между этой областью и торцами катушек создаются области сгущения магнитных силовых линий и образуются магнитные пробки, причем, усиление поля осуществляется, в основном, за счет поля внешней катушки. При этом условие 1 в районе пробок может быть нарушено за счет того, что градиент модуля магнитной индукции внешней катушки может превысить градиент модуля магнитной индукции внутренней катушки. Часть частиц плазмы попадает в конус потерь, проходит пробки и попадает в сквозное осевое отверстие витков внутренней изогнутой катушки 8 и внешней изогнутой катушки 9. Поля этих катушек противоположно направлены друг к другу, равнодействующая полей в этом отверстии превосходит по модулю равнодействующую полей внутренней и внешней катушек 6 и 7 в любой точке сквозного осевого отверстия внутренней катушки 6, в том числе, и в районе пробок. Поле внешней изогнутой катушки превосходит по модулю поле внутренней катушки и в районе торцов направлено в ту же сторону, что и поле внешней катушки 7, поле внутренней изогнутой катушки по мере удаления от торцов ослабевает, поле внешней изогнутой катушки усиливается. Система стабилизации плазмы 10 стабилизирует плазму в районе сквозного осевого отверстия витков изогнутых катушек электрическим полем аналогично тому, как это осуществляется в токамаке. Плазма энергетически невыгодно находится в области более сильного магнитного поля сквозного осевого отверстия изогнутых катушек и частицы уходят в область более слабого поля сквозного осевого отверстия дополнительной внутренней катушки 11 и дополнительной внешней катушки 12. Поля этих катушек противоположно направлены друг к другу, в центральной части отверстия удовлетворяют соотношению (1) и образуют в этой области зону минимума магнитного поля аналогично катушкам 6, 7, в которой удерживаются захваченные частицы плазмы. Между этой областью и торцами дополнительных ловушек, также аналогично катушкам 6, 7, создаются пробки. Поле дополнительной внешней катушки в области торцов направлено в ту же сторону, что и поле изогнутой внешней катушки. Распределение напряженностей полей катушек 11, 12 примерно совпадают с параметрами катушек 6, 7. Выпадающие в конус потерь частицы из области минимума поля дополнительных катушек 11, 12 проходят пробки и совершенно аналогично предыдущему случаю проходят вдоль магнитных силовых линий в зону минимума поля катушек 6, 7 и удерживаются в этой области и так далее.

Внутренние и внешние катушки, создающие осесимметричные магнитные поля и зону минимума магнитного поля в центральной части своего сквозного осевого отверстия, должны быть достаточно длинными для того, чтобы магнитные поля изогнутых катушек в этой области были за счет удаления настолько ослаблены, что не могли как-либо существенно исказить поле в зоне минимума поля.

Возможны и другие варианты закрытых ловушек, которые объединяются условием, что содержат пару вложенных друг в друга катушек, создающих противоположно направленные осесимметричные поля, удовлетворяющие условию (1), а другие катушки, присоединенные к торцам этих катушек, создают поля, равнодействующая которых в области их сквозного осевого отверстия витков превосходит по модулю равнодействующее поле катушек, создающих минимум поля в своем сквозном осевом отверстии. Плазма, уходящая из области минимума поля в конус потерь, проходит пробки и попадает в область более сильного магнитного поля, в котором находится ей энергетически невыгодно, она снова, перемещаясь вдоль магнитных силовых линий, возвращается в зону минимума магнитного поля, в которой и удерживается.

В области минимума поля непосредственно на оси катушек 1, 2, 6, 7, 11, 12, создающих зону минимума магнитного поля, поле внутренней катушки может быть равно по модулю полю внешней катушки и даже незначительно превышает его. Такие незначительные отклонения от выполнения условия (1) не скажутся на работе системы, поскольку, если область такого отклонения мала, локальна, то зона минимума магнитного поля все равно создается.

Ловушка уменьшает вероятность возникновения желобковой неустойчивости содержащейся в ловушке плазмы и увеличивает время удержания плазмы, причем в закрытом варианте ловушки время удержания плазмы может превысить этот параметр для любой из известных на сегодняшний день ловушек, поскольку плазма из зоны минимума магнитного поля может уходить только в область более сильного поля, в котором плазме находится энергетически невыгодно, и плазма автоматически, двигаясь вдоль магнитных силовых линий, в зону минимума магнитного поля возвращается. Таким свойством ни одна из известных на сегодняшний день ловушек не обладает.

Источники информации
1. Чуянов В.А. Адиабатические магнитные ловушки, в кн. Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы, т. 1, ч. 1, М., 1980.

2. Алексеев А. И. Сборник задач по классической электродинамике. М.: Наука, 1977, с.43.

3. Уилсон М. Сверхпроводящие магниты. М.: Мир, 1985, с.48.

Устройство для создания магнитной ловушки содержит соосные внутреннюю магнитную катушку 1 и внешнюю магнитную катушку 2. Магнитные катушки создают около оси устройства магнитные поля взаимнопротивоположной ориентации. В сквозном осевом отверстии внутренней катушки создается магнитное поле, удовлетворяющее условию: r ≠ 0, где r - расстояние до оси катушки, В₀, В₁ - модули магнитной индукции поля, создаваемого внутренней и внешней катушкой соответственно. Устройство содержит систему запирания пробок 3 или является замкнутой. Система запирания пробок 3 может содержать концевой пробкотрон, источник ВЧ электромагнитного поля, систему электродов. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для создания магнитной ловушки, содержащее соосные магнитные катушки, выполненные с возможностью создавать около оси противоположно направленные поля, отличающееся тем, что катушки вложены одна в другую и выполнены с возможностью создания в сквозном осевом отверстии внутренней катушки магнитного поля, удовлетворяющего условию

где r - расстояние до оси катушки;
В₀, В₁ - модули магнитной индукции поля, создаваемого по отдельности внутренней и внешней катушкой соответственно, причем либо ловушка содержит систему запирания пробок, либо ловушка является замкнутой. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система запирания пробок содержит концевой пробкотрон. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система запирания пробок содержит источник ВЧ электромагнитного или электрического поля. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система запирания пробок содержит систему электродов. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система запирания пробок содержит электроды, выполненные с возможностью создания электрического поля не только в зазоре между ними, но и на удалении от электродов, напряженность которого убывает пропорционально кубу расстояния до них.