СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ПЛАЗМОИДОВ Российский патент 2000 года по МПК H05H1/02 

Изобретение относится к области плазменной техники и управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано для получения высокотемпературных плазменных сгустков (плазмоидов) с целью изучения их свойств, а также с целью генерации нейтронного излучения.

Из предшествующего уровня техники известен способ генерации плазмоидов (см. Powell J.R. and Finkelstein D. Ball Lighting, American Scientist, 58, 1970, p. 262), включающий возбуждение высокочастотного разряда в полости диэлектрического цилиндра при атмосферном давлении.

Недостаток известного способа заключается в том, что время жизни получаемых при этом плазмоидов невелико, порядка 0,5-1,0 с.

Известен также способ генерации плазмоидов (см. патент РФ N 1831977, кл. H 05 H 1/02, 1995 г.), взятый в качестве прототипа и включающий подачу газовой среды в вихревой аппарат с камерой смешения, имеющей сферическую центральную часть, формирование вокруг сферической части камеры смешения удерживающего магнитного поля в виде адиабатической магнитной ловушки типа пробкотрон с двумя магнитными пробками, инициирование высоковольтного электрического разряда в сферической части камеры смешения с последующей высокочастотной модуляцией сначала величины разности потенциалов на электродах разрядного промежутка, а затем величины напряженности магнитного поля с той же частотой, после чего осуществляют выброс плазмоида из сферической части камеры смешения через одну из магнитных пробок, ускорение его и локализацию с помощью заземленного металлического экрана.

Недостаток известного способа заключается в том, что при его реализации используется сложное оборудование (магнитная ловушка, система накачки переменным магнитным полем и т.д.). Кроме того, для обеспечения перемещения полученных плазмоидов в заданном направлении требуются значительные затраты энергии, при этом время жизни полученных плазмоидов недостаточно для их практического использования.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по повышению времени жизни плазмоидов при одновременном снижении энергозатрат на их перемещение в пространстве и упрощение средств, используемых при их генерации.

Поставленная задача решена тем, что в способе генерации плазмоидов, согласно которому осуществляют сначала завихрение газовой среды, а затем высоковольтный электрический разряд в ней, согласно изобретению, создают в газовой среде, по крайней мере, один дискретный вихрь, движущийся в направлении разрядного промежутка, а высоковольтный электрический разряд осуществляют при прохождении каждым дискретным вихрем разрядного промежутка. Вихрь преимущественно создают в газовой среде при давлении не ниже атмосферного. Кроме того, в неподвижной газовой среде создают, по крайней мере, одно вихревое кольцо, движущееся в осевом направлении, а в разрядном промежутке создают аксиально-симметричное электрическое поле, направленное к оси разрядного промежутка, совпадающей с направлением движения вихревых колец. В параллельном же потоке газовой среды при R_e = 100-2500 создают систему из двух рядов прямолинейных вихрей, движущихся в направлении, перпендикулярном их осям, а высоковольтный электрический разряд осуществляют между, по крайней мере, одной парой плоских электродов, расположенных по потоку, во время прохождения осью каждого дискретного вихря разрядного промежутка.

Преимущество предложенного способа перед известным заключается в том, что ионизация нейтральных атомов в заранее сформированных дискретных вихрях, движущихся в заданном направлении, позволяет не только исключить как средства для первоначальной локализации плазмоида, так и средства для его перемещения в пространстве, но и существенно повысить время жизни (до 10 - 100 с) полученных плазмоидов.

Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения приведенной совокупностью существенных признаков требуемого технического результата.

На фиг. 1 изображена первая принципиальная схема осуществления предложенного способа; на фиг. 2 - вторая принципиальная схема осуществления предложенного способа; на фиг. 3 - та же схема (вид сверху).

Устройство для генерации вихревых колец (фиг. 1) содержит камеру 1 с круглым отверстием 2, соединенную с источником 3 сжатого газа посредством трубопровода 4 с быстродействующим управляемым клапаном 5. На фиг. 1 используются также следующие обозначения: 6 - вихревое кольцо, 7 - центральный электрод, 8 - внешний электрод разрядного промежутка, 9 - вихревое кольцо ионов, 10 - блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами соответственно клапана 5 и источника 12 питания, 11 - направление движения вихревых колец, 12 - источник питания. На фиг. 2 и 3 используются следующие обозначения: 13 - цилиндр, 14 - прямолинейные вихри верхнего ряда цепочки, 15 и 15' - плоские электроды первого разрядного промежутка, 16 - прямолинейные вихри нижнего ряда цепочки, 17 и 17' - плоские электроды второго разрядного промежутка, 18 - первый выход источника 19 питания, 20 - второй выход источника 19 питания.

В соответствии с одним предпочтительным примером осуществления изобретения создают в газовой среде (преимущественно при давлении не ниже атмосферного) одно или последовательно требуемое число вихревых колец, движущихся в осевом направлении, например с помощью устройства для генерации вихревых колец, изображенного на фиг. 1. Для этого в камере 1, имеющей круглое отверстие 2, импульсно повышают давление путем кратковременного сообщения полости камеры 1 с источником 3 сжатого газа. В более простом варианте выполнения устройства для генерации вихревых колец стенка камеры 1, противоположная той, в которой выполнено отверстие 2, изготавливается из упругодеформируемого материала. В этом случае импульсное изменение давления в камере 1 происходит за счет ударного воздействия на стенку камеры 1 из упругодеформируемого материала.

В результате каждого импульсного изменения давления в полости камеры 1 за счет обтекания газовой средой кромки отверстия 2 возникает вихревое кольцо 6, движущееся в осевом направлении 11 к разрядному промежутку, образованному коаксиально расположенными тонкими электродами 7 и 8 цилиндрической формы. В момент прохождения каждым вихревым кольцом 6 разрядного промежутка, образованного электродами 7 и 8, на выходе источника 12 питания формируется импульс высокого напряжения. В результате в разрядном промежутке возникает аксиально-симметричное электрическое поле, направленное к оси электродов 7 и 8, совпадающей с направлением 11 движения вихревых колец 6. Далее происходит высоковольтный электрический разряд. В результате высоковольтного электрического разряда в газовой среде энергию от источника 12 питания приобретают преимущественно электроны, которые являются носителями разрядного тока. При столкновении электронов, движущихся в разрядном промежутке под действием сил аксиально-симметричного электрического поля, с нейтральными атомами вихря происходит их ионизация. При этом вихревое движение среды не нарушается, поскольку масса электронов много меньше массы ионов.

Таким образом, в результате осуществления высоковольтного электрического разряда вихревое кольцо нейтральных атомов газовой среды в пределах разрядного промежутка трансформируется в вихревое кольцо ионов, при этом перпендикулярно циркуляционному потоку ионов происходит движение электронов в направлении к внешнему электроду 8.

По окончании высоковольтного электрического разряда вихревое кольцо 9 ионов продолжает движение в направлении 11. Одновременно в периферийной части вихревого кольца происходит процесс вовлечения электронов с достаточно высокой энергией (близкой к энергии ионизации нейтральных атомов) в циркуляционное движение. Действительно, концентрация ионов в вихревом кольце убывает по мере удаления от его оси, что приводит к увеличению Дебаевского радиуса экранирования. С другой стороны, по мере удаления от оси вихревого кольца скорости атомов и ионов, участвующих в циркуляционном движении, уменьшаются, а следовательно, давление среды увеличивается. Иными словами, вероятность упругого рассеяния электронов с нейтральными атомами увеличивается. Вследствие однонаправленного (по часовой или против часовой стрелке) движения нейтральных атомов в периферийной области вихревого кольца будет преобладать упругое рассеяние электронов в направлении движения нейтральных атомов без уменьшения величины их энергии (здесь следует отметить, что при упругом рассеянии электронов на нейтральных атомах происходит изменение направления их импульса, иными словами скорости - см. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы, ГИЛАНТ, М., 1963, с. 73, а энергия может даже возрасти). Однако аккумуляция некоторой части электронов с достаточно высокой энергией в периферийной области вихревого кольца приведет к возникновению аксиально-симметричного электрического поля, которое не только будет препятствовать вылету "горячих" электронов за пределы вихревого кольца, но и обеспечит их циркуляционное движение по периферийной части полностью ионизованной области 9 вихревого кольца.

Циркуляционное движение электронов с достаточно высокой энергией приведет к возникновению кольцевого периферийного электрического тока, направление которого противоположно направлению движения атомов и ионов в вихревом кольце. Действительно, поскольку энергия периферийных электронов (как показано выше) велика, то испытываемое ими торможение будет существенно меньше по сравнению с электронами, имеющими более низкую энергию. Следовательно, скорость вращения периферийных электронов будет существенно больше скорости вращения ионов в вихревом кольце. Разность между скоростью вращения периферийных электронов и скоростью вращения ионов - пропорциональна величине возникшего периферийного электрического тока, магнитное поле которого будет пронизывать центральную (плазменную) область вихревого кольца. Это приведет в свою очередь к возникновению в плазме диамагнитного тока (см. Арцимовича Л. А. , Лукьянов С.Ю. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. - М. : Наука, 1978, с. 210), а следовательно, к возникновению сил, удерживающих плазму. Сжатие плазмы приведет к тому, что кольцевой периферийный электрический ток будет перемещаться в область с более низким давлением. В результате этого диссипация энергии высокоэнергетичных электронов, создающих кольцевой периферийный электрический ток, будет уменьшаться, что приведет к увеличению времени жизни плазмоидов.

Таким образом, использование изобретения позволяет получить устойчивые плазмоиды, движущиеся в заданном направлении без какого-либо дополнительного внешнего воздействия на них и имеющие собственное внешнее магнитное поле, очень похожее на магнитное поле Земли. Последнее обстоятельство позволяет сделать вывод об уменьшении коэффициента диффузии, а вместе с ним и коэффициента теплопроводности между генерируемыми плазмоидами и окружающей средой.

В соответствии с другим предпочтительным примером осуществления изобретения создают в потоке газовой среды (также преимущественно при давлении не ниже атмосферного) двухрядовую систему дискретных (движущихся в направлении, перпендикулярном своим осям) прямолинейных вихрей, оси которых параллельны между собой. Для этого в параллельный (ламинарный) поток газовой среды, для которого число Рейнольдса - Re = 100-2500, помещают плохообтекаемое тело (кормовая часть которого имеет круто закругленную форму или срезана), например цилиндр 13 (фиг. 2), ось которого перпендикулярна направлению движения газовой среды. В результате непосредственно за обтекаемым телом возникает вихревая дорожка в виде двух рядов дискретных прямолинейных вихрей, оси которых параллельны образующей цилиндра, при этом вихри одного ряда вращаются в одну сторону, а вихри другого ряда - в противоположном направлении. Здесь следует отметить, что отношение расстояния - h между осями вихрей в различных рядах к расстоянию - l между вихрями в каждом ряду постоянно и равно 0,281 (фиг. 2). Следовательно, прямолинейные вихри 14 верхнего ряда через равные интервалы времени будут проходить через первый разрядный промежуток, образованный плоскими электродами 15 и 15', а через те же интервалы времени вихри 16 нижнего ряда будут проходить через второй разрядный промежуток, образованный плоскими электродами 17 и 17'. Электроды 15, 15', 17 и 17' расположены по потоку газовой среды (фиг. 3).

Во время прохождения осью каждого вихря 14 разрядного промежутка, образованного электродами 15 и 15', на первом выходе 18 источника 19 питания формируется импульс высокого напряжения, в результате чего происходит высоковольтный электрический разряд. Аналогично во время прохождения осью каждого вихря 16 разрядного промежутка, образованного электродами 17 и 17', на втором выходе 20 источника 19 питания формируется импульс высокого напряжения и происходит высоковольтный электрический разряд. Здесь следует отметить, что, поскольку в вихре скорость течения среды уменьшается по мере удаления от его оси, а следовательно, давление увеличивается в том же направлении, то, согласно закону Пашена, пробой разрядного промежутка произойдет сначала по оси вихря. По окончании высоковольтного электрического разряда вихри 14 и 16 продолжает свое движение по потоку, при этом центральная часть каждого вихря будет представлять собой сильно ионизированный плазменный шнур. По мере удаления от оси вихря концентрация ионов будет падать. Поэтому будет возрастать вероятность столкновения находящихся там электронов, получивших при электрическом разряде энергию порядка энергии ионизации нейтральных атомов, быть вовлеченными в циркуляционное движение за счет упругого рассеяния с нейтральными атомами вихря, аналогично тому, как описано выше в предыдущем примере осуществления способа. Циркуляционное движение электронов с высокой энергией в периферийной области по отношению к плазменному шнуру приведет к возникновению кольцевого периферийного электрического тока, направление которого противоположно направлению вращения ионов в плазменном шнуре. Этот электрический ток приведет к возникновению в плазменном шнуре диамагнитного тока, удерживающего плазменный шнур, который в дальнейшем будет стремиться приобрести энергетически выгодную форму сначала в виде эллипсоида, а затем шара.

Благодаря достаточно большому времени жизни (порядка 10-100 с) генерируемые с использованием настоящего изобретения плазмоиды могут быть широко использованы не только для научных, но и технических целей. Наиболее простым является формирование в магнитных ловушках высокоэнергетичных плазменных структур путем последовательного ввода в нее генерируемого ряда движущихся в заданном направлении отдельных плазмоидов, например, с целью получения мощных источников электромагнитного излучения.

Следует также отметить возможность использования полученных плазмоидов (вихревых плазменных колец) для создания индукционных плазменных ускорителей (см. Физическая энциклопедия, т. 3, М., Большая Российская энциклопедия, 1992, с. 610).

Не вызывает сомнения перспективность использования изобретения для генерации нейтронного излучения в связи с возможностью осуществлять либо непрерывный разогрев плазмоида вплоть до "критических параметров", либо импульсное его обжатие ударными волнами, генерируемыми с помощью плазменных пинчей.

Способ может быть использован в плазменной технике и управляемом термоядерном синтезе. В газовой среде создают по крайней мере один дискретный вихрь, движущийся в направлении разрядного промежутка. При прохождении каждым дискретным вихрем, например вихревым кольцом или линейным вихрем, разрядного промежутка осуществляют электрический разряд. Способ позволяет без использования сложного оборудования получить движущиеся плазмоиды с временем жизни, достаточным для использования их в технических целях. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ генерации плазмоидов, согласно которому осуществляют сначала завихрение газовой среды, а затем высоковольтный электрический разряд в ней, отличающийся тем, что создают в газовой среде, по крайней мере, один дискретный вихрь, движущийся в направлении разрядного промежутка, а высоковольтный электрический разряд осуществляют при прохождении каждым дискретным вихрем разрядного промежутка. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вихрь создают в газовой среде при давлении не ниже атмосферного. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в неподвижной газовой среде создают, по крайней мере, одно вихревое кольцо, движущееся в осевом направлении, а в разрядном промежутке создают аксиально-симметричное электрическое поле, направленное к оси разрядного промежутка, совпадающей с направлением движения вихревых колец. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в параллельном потоке газовой среды, при Re = 100 - 2500, создают систему из двух рядов прямолинейных вихрей, движущихся в направлении, перпендикулярном их осям, а высоковольтный электрический разряд осуществляют между, по крайней мере, одной парой плоских электродов, расположенных по потоку, во время прохождения осью каждого дискретного вихря разрядного промежутка.