ПЕРЕНОСНОЙ ЯДЕРНЫЙ ПЛАЗМОТРОН Российский патент 2004 года по МПК H05H1/00 H05H1/24 

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, в том числе к устройствам обработки материалов, более конкретно к новому типу плазмотрона.

Плазмотрон - это устройство, генерирующее горячую плазму, используемую для нагрева и плавления вещества, наплавки и сварки деталей, нанесения покрытия на поверхность материала и др. В настоящее время наиболее распространены дуговые (газовые) и электрические (высокочастотные) плазмотроны. Принцип действия и устройство этих плазмотронов приведены в книге: Перспективные радиационно-пучковые технологические обработки материалов (под редакцией Б.А. Калина). Издательство "Круглый год". Москва. 2001. Указанные плазмотроны являются аналогами предлагаемого изобретения. Однако эти аналоги имеют существенные недостатки, а именно большие габариты и массы, обусловленные применением в дуговых плазмотронах крупногабаритных баллонов с газом, в электрических плазмотронах - громоздких источников питания. Кроме того, указанные аналоги не обеспечивают в местах обработки материала высокой температуры до 10⁵К, которая необходима для плавления жаростойких металлов (вольфрама, ваннадия, платины и др.) и их сплавов.

Основная цель предлагаемого плазмотрона - устранить указанные недостатки аналогов. Плазмотрон должен иметь габариты и массу, приемлемые для ручной переноски его и удобства в эксплуатации.

Эта цель достигается применением в качестве источника плазмы термоядерного вещества, заключенного в твердотельный конус (с отверстием в вершине для вылета плазмы) и возбуждаемого лазерным излучением. Иначе говоря, для реализации цели применяется коническая мишень. При этом вместо энергии громоздких энергоносителей аналогов используется внутриядерная энергия, выделяемая в процессе обработки материалов путем синтеза ядер легких атомов в режиме "лазерной искры". Режим "лазерной искры" вместо режима "зажигания" позволяет значительно уменьшить требуемую мощность излучения лазера и, следовательно, его габариты. Уменьшению габаритов также способствует применение полупроводниковых лазеров, причем требования по мощности и габаритам лазера удовлетворяются использованием решеток инжекционных лазеров с охлаждением азотом и накачкой импульсом тока.

В аналогах температура в месте вылета плазмы из плазмотрона (сопла) и в местах обработки материала не превышает 10³К. При повышении температуры более 10³К происходит, как правило, оплавление материала сопла. Поэтому в предлагаемом плазмотроне температура в месте вылета плазмы сохранена в 10³К, а температура 10⁵К создается только в месте обработки материала путем схлопывания сгустков плазмы, образованных двумя конусами, имеющими одинаковые углы наклона их осей относительно оси прибора. При схлопывании сгустков плазмы на поверхности места обработки материалов возрастает плотность плазмы и, следовательно, ее температура увеличивается примерно на 100 К.

Принцип действия конической мишени состоит в том, что при падении лазерного излучения на ядерное вещество мишени происходит адсорбция энергии и испарение вещества, образуются ударные волны, интенсивность которых возрастает по мере приближения к вершине конуса, и возникает реактивная сила, направленная вдоль оси конуса. Вследствие указанных причин в вершине каждого конуса образуется сгусток плазмы, который под действием реактивной силы вылетает через отверстие в вершине конуса (сопло) наружу. Процесс образования плазмы и вылета ее при применении конической мишени рассмотрен в одной из первых статьей "Импульсное сжатие и нагрев газа в конических мишенях". Труды Института общей физики РАН 36. Москва. 1996. Одной из последних публикаций по указанной тематике является препринт "Моделирование превращения графита в алмаз при динамическом сжатии в конических мишенях". Объединенный институт высоких температур РАН. Препринт 1-454. Москва. 2001. В этом препринте показано, что в конусе с выводящим каналом (отверстием) в вершине конуса возникают давление среды до 21 ГПа и ее температура до 2 кК, достаточных для синтеза алмаза.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема плазмотрона, причем в этой схеме коническая мишень показана в разрезе в масштабе 1:1.

Ядерный плазмотрон состоит из следующих частей: 1 - корпус; 2 - ядерная мишень; 3 - лазер; 4 - фокусирующие линзы; 5 - синхронизатор; 6 - механизм передвижения ленты; 7 - направляющие валики; 8 - источник электропитания; 9 - панель управления.

Корпус 1 служит для крепления основных частей плазмотрона и для ручной переноски его. Он представляет собой чемодан с открывающейся наверх крышкой и установочными штырями, регламентирующими расстояние (15 см) между соплами плазмотрона и обрабатываемой поверхностью.

Ядерная мишень 2 представляет собой гибкую жаростойкую ленту с перфорационными отверстиями по краям и парными твердотельными конусами посредине ленты (фиг.1). Каждый конус имеет боковые стенки толщиной 1 мм из алюминия и отверстие в вершине. В этот конус вклеивается конус из полимерной оболочки, наполненной газообразным дейтерием. Основание полимерного конуса имеет сферическую форму и покрыто следами тяжелых металлов с целью усиления первичного удара на газовую среду.

Выбор дейтерия в качестве ядерного вещества обусловлен тем, что он широко распространен в природе и является экологически чистым. Приведем термоядерную реакцию, возникающую при падении лазерного луча на конус (Кухлинг Х. Справочник по физике. Москва. "Мир", 1982, стр. 443):
521

Ядерная мишень является сменной частью плазмотрона. Она изготовляется автоматом по производству термоядерных мишеней.

Размеры конуса: радиус основания - 4 мм, радиус отверстия при вершине - 1 мм, высота конуса - 2,5 мм (равна толщине ленты). Расстояние между центрами оснований пары конусов (поперек ленты) - 12,5 мм. Оси конусов наклонены к оси прибора на угол 15^o, что обеспечивает схлопывание сгустков на расстоянии 15 см от сопел плазмотрона. Расстояние между центрами пар конусов (вдоль ленты) - 11,5 мм.

Размеры ленты: толщина - 2,5 мм, высота - 36 мм. На чертеже показано исходное положение ленты с бобиной диаметром 50 мм.

При этом длина активной части мишени (с встроенными конусами) составляет 1100 мм, и на ней размещаются пар конусов, которые позволяют обработать материал длиной 96•5=480 мм. При увеличении диаметра бобины и, следовательно, размеров плазмотрона обрабатываемая длина без смены мишеней может быть доведена до 2-3 м.

Лазер 3 создает два лазерных луча для инициирования термоядерной реакции в ядерной мишени. Требуемая мощность каждого луча при наполнении конуса дейтерием в режиме "лазерной искры" составляет 10 кДж в импульсе. Такую мощность можно получить от решетки полупроводниковых лазеров. Полупроводниковые лазеры по сравнению с другими типами имеют малые габариты и большой КПД. В настоящее время выпускаются импульсные полупроводниковые лазеры с охлаждением азотом мощностью до 2 кДж. Таким образом, лазер плазмотрона представляет собой две решетки полупроводниковых лазеров, по 5 лазеров в каждой. Размеры решетки весьма малы, так как размеры активной части каждого лазера - доли, единицы мм.

Излучение каждого лазера сжимается для ввода в апертуру отрезка волоконного световода с помощью половинки стеклянной "бусинки" диаметром 1 мм. Излучение пяти лазеров суммируется с помощью соединителей.

Накачка лазеров осуществляется импульсом тока длительностью 1 мс. Перспективным видом накачки полупроводниковых лазеров является накачка электронным потоком; она позволяет получить отдаваемую мощность одного лазера до 5 кДж. Накачка лазеров плазмотрона синхронизирована с передвижением ленты ядерной мишени.

Две фокусирующие линзы 4 служат для концентрации лазерного излучения на поверхности оснований конусов. Каждая линза представляет собой двухкомпонентную оптическую систему с малым фокусным расстоянием. Диаметр созданного лазерного пятна на основании конуса - 0,5 мм.

Синхронизатор 5 реализует режим работы плазмотрона: ручной (по отдельным плазменным пятнам на обрабатываемом материала) или автоматический (по серии указанных пятен), задает в автоматическом режиме тактовую частоту создания пятен и синхронизирует накачку лазера с установкой ядерной мишени. При этом накачка лазеров производится только после завершения передвижения ленты ядерной мишени. Выбор режима работы плазмотрона и регулировка тактовой частоты производится с панели управления плазмотрона.

Механизм передвижения ленты 6 с направляющими валиками 7 обеспечивают такое перемещение ленты, при котором действующая пара конусов устанавливается против фокусирующих линз. Направляющие валики имеют зубчики, которые входят в перфорационные отверстия ленты. Размещение валиков указано на чертеже. Механизм передвижения ленты работает в импульсном режиме по сигналам с синхронизатора. Устройство частей 6 и 7 и их работа подобны механизму автоматической перемотки фотопленки в малогабаритных фотоаппаратах. Лента ядерной мишени перематывается с одной бобины на другую.

Источник электропитания 8 обеспечивает постоянным током лазер, синхронизатор и механизм передвижения ленты. Питание получается от малогабаритных электрохимических батарей.

Панель управления 9 представляет собой переключатели, осуществляющие включение плазмотрона (подачу питания на синхронизатор и механизм передвижения ленты), выбор режима работы плазмотрона (ручной или автоматический) и регулятор тактовой чистоты плазмотрона.

Рассмотрим работу предлагаемого плазмотрона в динамике. При включении плазмотрона подается питание на синхронизатор, который далее подает импульс напряжения на механизм передвижения ленты. Под действием этого импульса механизма передвигает ленту в устойчивое положение, при котором пара конусов устанавливается против фокусирующих линз.

После срабатывания механизма синхронизатор подает импульс напряжения на включение блока накачки лазера. Блок накачки вырабатывает импульс тока накачки, который вызывает генерирование лазерного излучения. Излучение каждого лазера с помощью половинки стеклянной "бусинки" вводится в отрезок световода. Затем излучение от 5 лазеров с помощью соединителей суммируется и направляется на фокусирующую линзу. Линза концентрирует лазерное излучение на поверхность основания конуса.

При падении лазерного излучения на конус происходит адсорбция энергии ядерным веществом, оболочка со следами тяжелых металлов прогибается и удаляется по объему газа. Далее оболочка, а затем и ядерное вещество испаряются. При этом испарении образуются ударные волны сжатия, которые двигаются к вершине конуса, и реактивная сила - вдоль оси конуса. Под действием указанных факторов ядерное вещество в вершине конуса сжимается, локально нагревается до 10³К и становится плазмой. Эта плазма, проходя через вершину конуса, еще более сжимается и образует сгусток. Сгусток под действием реактивной силы вылетает в направлении, заданном углом наклона оси конуса. Вылетевшие из отверстий сгустки плазмы сталкиваются на оси прибора в заданном месте обработки материала. Вследствие сталкивания плазма на поверхности еще более уплотняется и повышается ее температура до 10⁵К.

В зависимости от установки плазмотрона выполняется программа обработки: резка, сварка, напыление и др. При сварке и напылении в область падения плазмы вводится на жаростойком держателе электрод вводимого элемента.

После выполнения первого такта плазмотрон оператором передвигается и производится следующий такт по сигналу с синхронизатора в заданном режиме работы.

В зависимости от реализуемой технологии должна устанавливаться температура места обработки материалов. Указанная температура в предлагаемом плазмотроне может меняться в широких пределах изменением расстояния от сопла до места обработки, тактовой частоты плазмотрона, а также скоростью продвижения плазмотрона вдоль обрабатываемой поверхности.

В заключение приведем характеристики плазмотрона:
- габариты: 135•80•75 мм;
- масса плазмотрона: 0,8 кг;
- длина обрабатываемой линии без смены ядерной мишени: около 0,5 м;
- плазмотрон удобен в эксплуатации.

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, более конкретно к устройствам обработки материалов с помощью плазмотронов. Технический результат - уменьшение габаритов и массы прибора по сравнению с газовыми и высокочастотными плазмотронами, а также увеличение температуры в месте обработки материала до 10⁵K. Ядерный плазмотрон состоит из следующих частей: корпус, ядерная мишень, фокусирующие линзы, синхронизатор, механизм передвижения ленты, направляющие валики, источник электропитания, панель управления. Ядерная мишень выполняется в виде двух конусов, имеющих в вершинах отверстие для вылета плазмы и встроенных в передвигаемую ленту, с наклонением осей конусов, обеспечивающим сталкивание сгустков плазмы вне плазмотрона. Лазер выполняется в виде решетки полупроводниковых лазеров с охлаждением азотом и с накачкой импульсом тока, синхронизированным с передвижением указанной ленты. 1 ил.

Переносной ядерный плазмотрон, включающий лазер, мишень, источник питания и панель управления, отличающийся тем, что мишень выполняется в виде двух конусов, заполненных дейтерием, имеющих в их вершинах отверстия для вылета сгустков плазмы и встроенных в передвигаемую ленту с наклонением осей конусов, обеспечивающим столкновение сгустков плазмы и увеличение температуры в месте обработки материала, а лазер выполняется в виде решетки полупроводниковых лазеров с охлаждением их азотом и накачкой импульсом тока, синхронизированным с передвижением ленты.