УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Z-ПИНЧА НА ОСНОВЕ СКОЛЬЗЯЩЕГО РАЗРЯДА Российский патент 2001 года по МПК H05H1/04 H05G2/00 

Изобретение относится к технике высокотемпературной плазмы и может быть использовано при разработке устройств для осуществления пинча с целью генерирования, например, мощных импульсов мягкого и/или жесткого рентгеновского излучения.

Известно устройство для осуществления Z-пинча, представляющее собой герметичную цилиндрическую газоразрядную камеру, на торцах которой установлены электроды, подключенные к импульсному источнику электропитания (см. рис. 37 из [1] : Л. А. Арцимович, Управляемые термоядерные реакции, М.: Физматгиз, 1961). В камеру предварительно закачивается газ или смесь газов определенного сорта. При включении источника питания в камере происходит объемная ионизация, образуется столб токонесущей плазмы, собственное азимутальное магнитное поле которой оказывает на плазму сжимающее к оси разряда действие. В момент максимального сжатия происходит сильный разогрев плазмы, что приводит к генерации мощных импульсов мягкого и/или жесткого рентгеновского излучения.

Однако в процессе сжатия плазменный столб подвержен различным неустойчивостям, например так называемым изгибной и змейковой неустойчивостям (см. рис. 80 [1] ). Эти неустойчивости приводят к срыву пинча. Известны также методы частичной стабилизации этих неустойчивостей: наложение на плазменный столб внешнего продольного магнитного поля или использование металлической разрядной камеры (см. стр. 223-224 [1]), что существенно усложняет все устройство в целом. Кроме того, определенным недостатком является неопределенность осевого положения перетяжки Z-пинча, являющегося источником рентгеновского излучения, что затрудняет измерение и определение общего выхода излучения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство для осуществления Z-пинча, содержащее диэлектрическую камеру, выполненную в виде полого кругового цилиндра из диэлектрика, два кольцевых электрода, установленные с противоположных торцов камеры и выступающие внутрь нее, при этом вдоль внешней поверхности камеры пропущен обратный токопровод, электрически связанный с одним из электродов и имеющий вид полого кругового металлического цилиндра, коаксиального камере, а другой электрод и обратный токопровод подключены к импульсному источнику электропитания [2] (Андреев С. И. Байков О.Г., Дашук П.Н., Попов П.Г., "Исследование сильноточных самосжимающихся разрядов в ксеноне. Z-пинч", ЖТФ, 1977, т. 47, N 6, с. 1205-1212). Здесь диэлектрическая камера выполняет также роль изолятора, вдоль поверхности которого создается поверхностный скользящий разряд. В этом устройстве получена сплошная цилиндрическая плазменная оболочка скользящего разряда на внутренней поверхности изолятора и осуществлен Z-пинч плазмы разряда при схлопывании плазменной оболочки к оси устройства.

Устройство [2] выбрано нами за прототип. Его недостатком является отсутствие средств стабилизации изгибной и змейковой неустойчивостей. Это приводит к тому, что в некоторых режимах работы возможно нарушение и срыв пинчевания. Кроме того, как и в [1], недостатком прототипа также является неопределенность осевого положения перетяжки Z-пинча.

В связи с этим ставится техническая задача снижение опасности развития изгибной и змейковой неустойчивостей Z-пинча, а также обеспечение определенности положения его перетяжки.

Техническим результатом предлагаемого решения является исключение опасности развития изгибной и змейковой неустойчивостей пинча в устройстве на основе скользящего разряда, а также обеспечение определенности положения его перетяжки, что должно повысить в свою очередь надежность и повторяемость работы устройства от импульса к импульсу.

Этот результат достигается за счет того, что в устройстве для осуществления Z-пинча на основе скользящего разряда, состоящем из импульсного источника электропитания, двух соосных кольцевых электродов, отделенных друг от друга изолятором, при этом вдоль изолятора с внешней стороны пропущен обратный токопровод, электрически связанный с одним из электродов, а другой электрод и обратный токопровод подключены к импульсному источнику электропитания, в отличие от прототипа изолятор с обратным токопроводом выполнены секционированными так, что каждая отдельная секция представляет собой плоскопараллельную диэлектрическую протяженную пластину с двумя электродами, установленными на одной из поверхностей пластины с ее противоположных концов, при этом по другой поверхности каждой пластины пропущен обратный токопровод, и каждая секция при этом установлена в устройстве так, что место контакта электродов пластины с кольцевыми электродами устройства разнесены друг от друга по азимуту относительно оси кольцевых электродов.

Так как внутренняя касательная поверхность к секционированному изолятору, а следовательно, и секционированная плазменная оболочка завершенного скользящего разряда в этом случае являются однополостным гиперболоидом вращения, то перетяжка в Z-пинче возникнет в том осевом сечении гиперболоида, в котором находится перетяжка самого гиперболоида. Кроме того, скользящий разряд будет иметь не только осевую, но и азимутальную составляющую тока. Следовательно, разряд будет возбуждать собственное магнитное поле не только с азимутальной, осуществляющей Z-пинч, но и аксиальной составляющей, которая обеспечит стаблизацию Z-пинча по отношению к развитию изгибной и змейковой неустойчивостей.

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого решения полностью обеспечивают решение технической задачи.

Пример выполнения устройства для осуществления Z-пинча на основе скользящего разряда с кольцевыми электродами одинакового диаметра показан на чертеже, хотя возможно выполнение заявляемого устройства с кольцевыми электродами разного диаметра.

На чертеже обозначено: 1 - заземленный кольцевой электрод, 2 - одна из плоскопараллельных диэлектрических протяженных пластин, 3 - обратный токопровод, 4 - высоковольтный электрод пластины, 5 - коллектор обратного токопровода, 6 - предохранительный изолятор, 7 - высоковольтный кольцевой электрод.

На чертеже не показаны:
- внешняя герметичная оболочка (или камера), которая служит для обеспечения необходимого давления в разряде, но форма которой несущественна для пинча;
- импульсный источник электропитания питания, который подключен к кольцевым электродам 1 и 7 и тип которого может быть любым: мощная конденсаторная батарея, взрывомагнитный генератор и др.;
- заземленные электроды пластин, так как их роль могут играть небольшие выступы в заземленном кольцевом электроде 1.

Электроды 1, 5 и 7 могут быть выполнены из любого металла или сплава, например медь, вольфрам, сталь и т. д. Диэлектрические пластины 2 могут быть выполнены из кварцевого стекла, фарфора, ситалла. Высоковольтный электрод пластины 4 и обратный токопровод 3 могут быть нанесены на пластину в виде тонкого слоя напылением или вжиганием, например, меди, но могут быть изготовлены в виде отдельных деталей из металла или сплавов. Материал предохранительного изолятора 6 - капролон, оргстекло, керамика и т. д.

Диаметр устройства должен быть примерно в 1,5-2 раза меньше его высоты. Толщина пластин должна быть 1-3 мм, ширина - 12-18 мм. Эти требования, не являясь обязательными для заявляемого устройства, позволяют подобрать оптимальные режимы работы.

Работает устройство для осуществления Z-пинча на основе скользящего разряда следующим образом. При подаче импульса электропитания на электроды 5 и 7 между высоковольтным электродом 4 каждой из пластин 2 и обратным токопроводом 3 возникает напряжение, инициирующее скользящий разряд. Скользящий разряд развивается по внутренней поверхности пластины 2 параллельно обратному токопроводу 3. Как только разряд достигнет кольцевого электрода 1, по каналам разряда начинает протекать импульсный ток, нарастающий по величине. Под действием сил Ампера разрядные каналы отрываются от пластин и, ускоряясь, летят к оси устройства. При достижении оси плазма коллапсирует, нагревается и становится источником мощного рентгеновского излучения.

Перетяжка разряда на оси устройства всегда возникает в сечении, проходящем через перетяжку исходного гиперболоида. Аксиальная составляющая собственного магнитного поля разряда стабилизирует Z-пинч по отношению к развитию изгибной и змейковой неустойчивостей.

Использование: в технике высокотемпературной плазмы, в частности, при разработке устройств для осуществления пинча с целью генерирования, например, мощных импульсов рентгеновского излучения. Сущность изобретения: устройство для осуществления Z-пинча на основе скользящего разряда состоит из импульсного источника электропитания и двух соосных кольцевых электродов, отделенных друг от друга изолятором. Вдоль изолятора с внешней стороны пропущен обратный токопровод, электрически связанный с одним из электродов. Другой электрод и обратный токопровод подключены к импульсному источнику электропитания. Изолятор с обратным токопроводом выполнены секционированными так, что каждая отдельная секция представляет собой плоскопараллельную диэлектрическую протяженную пластину с двумя электродами, установленными на одной из поверхностей пластины с ее противоположных концов. По другой поверхности пластины пропущен обратный токопровод. Каждая секция установлена в устройстве так, что место контакта электродов пластины с кольцевыми электродами устройства разнесены друг от друга по азимуту относительно оси кольцевых электродов. Технический результат заключается в исключении развития изгибной и змейковой неустойчивостей, а также в обеспечении определенности положения его перетяжки. 1 ил.

Устройство для осуществления Z-пинча на основе скользящего разряда, состоящее из импульсного источника электропитания, двух соосных кольцевых электродов, отделенных друг от друга изолятором, при этом вдоль изолятора с внешней стороны пропущен обратный токопровод, электрически связанный с одним из электродов, а другой электрод и обратный токопровод подключены к импульсному источнику электропитания, отличающееся тем, что изолятор с обратным токопроводом выполнены секционированными так, что каждая отдельная секция представляет собой плоскопараллельную диэлектрическую протяженную пластину с двумя электродами, установленными на одной из поверхностей пластины с ее противоположных концов, при этом по другой поверхности каждой пластины пропущен обратный токопровод, и каждая секция при этом установлена в устройстве так, что место контакта электродов пластины с кольцевыми электродами устройства разнесены друг от друга по азимуту относительно оси кольцевых электродов.