ИНЖЕКТОР ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМЫ Российский патент 2005 года по МПК H05H1/00 

Предлагаемое изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза легких ядер и может быть использовано для ввода холодной плазмы в вакуумные камеры термоядерных реакторов. Предлагаемый инжектор предназначен для быстрого и точно дозированного ввода ионизированных частиц в вакуумную камеру реактора в количестве, не превышающем 1,6× 10¹⁷ ионов за 1 цикл.

Известны инжекторы, использующие электрический разряд в газовой среде, применение которых не позволяет точно дозировать количество ионов, вводимых в вакуумную камеру реактора из-за невозможности точного регулирования электрического разряда в газовой среде.

Известен инжектор плазмы, представляющий собой цилиндрическую трубку (RU 2072641 С1, МПК 7 Н 05 Н 1/30, 27.01.1997).

Целью изобретения является получение возможности быстрого (от 2 до 20 микросекунд) и точно дозированного ввода холодной плазмы в вакуумную камеру реактора.

Предлагаемый инжектор представляет собой накопительную камеру, имеющую на выходе быстродействующий газовый клапан низкого давления. Образование и вывод плазмы накопительной камеры осуществляется с помощью напряжений, подаваемых на сетки-электроды, встроенные внутри накопительной камеры, выполнена подогреваемой с целью эмиссии свободных электронов. Быстродействующий газовый клапан на выходе инжектора осуществляет возможность быстрого и свободного выхода плазмы в вакуумную камеру реактора.

На Фиг.1 изображен предлагаемый инжектор, на Фиг.2 - график напряжений, управляющих работой инжектора.

Инжектор представляет собой цилиндрическую трубку 1, выполненную из термостойкого изолятора (например, стекла или радиофарфора), с встроенными внутрь полости трубки, перпендикулярно ее оси, шестью металлическими сетками-электродами, служащими для образования и вывода плазмы из накопительной камеры, а также для управления клапаном. Сетка на входе инжектора, анодная сетка 2, коммутируется на время вывода плазмы из накопительной камеры с плюсом источника питания накопительной камеры. Вторая от входа инжектора сетка - управляющая сетка накопительной камеры 3 служит для управления процессом ионизации газа в накопительной камере. Третья от входа инжектора катодная сетка 4 является общей для клапана и накопительной камеры и выполнена подогреваемой с целью эмиссии свободных электронов, соединена с минусом источников питания клапана и накопительной камеры. Четвертая от входа инжектора сетка - управляющая сетка клапана 5 расположена в непосредственной близости от катодной сетки и управляет током ионизации частиц газа. Пятая от входа инжектора анодная сетка клапана 6 подключена к плюсу источника питания клапана и служит для создания электрических полей в пространстве между катодной и анодной сетками, а также в пространстве между анодной и экранной сеткой 7, шестой сеткой инжектора, соединенной с минусом источника питания клапана. Блок питания накопительной камеры 8 и электронный ключ 9 служат для ионизации газа и вывода плазмы из накопительной камеры. Газ в накопительной камере ионизируется током свободных электронов подогреваемой катодной сетки в течение короткого импульса положительного напряжения на управляющей сетке накопительной камеры, далее происходит вывод плазмы из накопительной камеры под воздействием электрического поля между катодной и анодной сетками накопительной камеры при открытом состоянии клапана. Блок высоковольтных импульсов 10 служит для включения закрытого состояния клапана. Узел коррекции тока анодной сетки клапана 11 служит для точной установки и автоматического поддержания тока закрытого состояния анодной сетки клапана. Управление клапаном осуществляется с помощью напряжений, подаваемых на сетки клапана. Открытое состояние клапана обеспечивается полным отсутствием напряжений на сетках клапана. Закрытое состояние клапана осуществляется ускорением положительно заряженных ионов газа в электрическом поле между анодной и катодной сетками, в направлении обратном, потоку газа через клапан, и рассеиваемых частицами газа на входе клапана. Газ ионизируется током свободных электронов подогретой катодной сетки в пространстве между анодной и катодной сетками. Управляющая сетка клапана, расположенная в непосредственной близости от катодной сетки, управляет током свободных электронов анодной сетки. Ионы газа, ускоренные в пространстве между анодной и катодной сетками и рассеиваемые на молекулах газа, уравновешивают его давление на входе клапана.

Пример расчета инжектора холодной плазмы

В качестве примера для расчета инжектора возьмем конструкцию со следующими основными геометрическими размерами и параметрами газа:

1. d=8 мм - внутренний диаметр канала инжектора.

2. L_кк=25 мм - расстояние между анодной и катодной сетками клапана.

3. L_кн=15 мм - расстояние между катодной и анодной сетками инжектора.

4. Концентрация газа на входе инжектора равна 3,536× 10²² частиц на 1 м^з.

5. Газ-водород.

6. Отношение площади поперечного сечения анодной сетки клапана S_аск к площади поперечного сечения инжектора S равно 0,1.

7. Время вывода плазмы из накопительной камеры t_выв равно 10 микросекунд.

Расчет инжектора разделяется на расчет быстродействующего газового клапана и расчет накопительной камеры. Целью расчета быстродействующего газового клапана является получение значений напряжения между анодной и соединенных между собой катодной и кранной сетками U_акк, которые обеспечивают надежную ионизацию молекул газа в объеме между катодной и анодной сетками током свободных электронов, и ускорение положительно заряженных ионов в сторону катодной сетки, которые, в свою очередь рассеиваясь на молекулах газа за катодной сеткой, уравновешивают его давление на входе клапана. Необходимым условием начала ионизации молекул газа является такое значение электрического поля между анодной и катодной сетками, при котором свободные электроны катодной сетки имеют возможность получить в промежутках времени между столкновениями с молекулами газа энергию, равную или большую энергии ионизации молекул газа U_ион, тогда из этого условия следует, что

где U_акк - напряжение между анодной и катодной сетками клапана;

U_ион - напряжение ионизации молекул газа (энергия ионизации для водорода U_ион = 13,6 эВ);

L_акк - расстояние между анодной и катодной сетками клапана;

l_св – средняя длина свободного пробега электрона.

Средняя длина свободного пробега электрона зависит от концентрации и диаметра молекул газа и может быть определена из равенства:

где n - концентрация молекул газа;

π =3.141... - постоянная;

D - диаметр молекул газа (D=2.2· 10^-10 м - диаметр молекулы водорода). Далее находим, что:

Для приведенного примера имеем:

U_акк=0.25· 13.6· 0.025· 3,536· 10²²·^{3.141· (2.2· 10-10)2=456,92 В.}

Напряжение, приложенное к анодной и катодной сеткам U_акк, переводит клапан из открытого состояния в закрытое, что в свою очередь приводит к быстрому снижению концентрации газа и ионов в пространстве между катодной и анодной сетками. Низкая концентрация молекул и ионов газа позволяет резко снизить значение U_акк до оптимальных значений, обеспечивающих полную ионизацию молекул газа, проникающих сквозь катодную и управляющую сетки, и ускорение образовавшихся ионов, уравновешивающих давление газа на входе клапана при их рассеянии. Критерием выбора оптимального значения U_акк при закрытом состоянии клапана является его минимальное энергопотребление, которое определяется как произведение тока анодной сетки клапана I_аск на U_акк.

Р=U_акк ·_Iаск,

где Р - мощность, потребляемая клапаном.

Свободные электроны катодной сетки ускоряются в электрическом поле между катодной и анодной сетками и, достигнув анодной сетки, либо оседают на ней, либо проходят сквозь нее и попадают в тормозящее электрическое поле между анодной и экранной сетками, затормозившись, они вновь разгоняются в сторону анодной сетки и либо оседают на ней, либо проходят сквозь нее, вновь затормаживаясь в электрическом поле между анодной и катодной сетками. Для каждого электрона в отдельности этот процесс повторяется до оседания его на анодной сетке клапана, при этом вероятность оседания электрона на анодной сетке при однократном его прохождении сквозь анодную сетку приближенно равна отношению площади поперечного сечения анодной сетки клапана S_аск к площади поперечного сечения канала инжектора S. Эффект отражения электронов экранной и катодной сетками позволяет снизить ток анодной сетки, а следовательно, и энергопотребление клапана, пропорционально величине отношения площади поперечного сечения канала инжектора S к площади поперечного сечения анодной сетки клапана S_аск. Ионизация частиц происходит при рассеянии на них свободных электронов с энергией, превышающей энергию ионизации U_ион, и чтобы это происходило с вероятностью, равной или большей 1, необходимо, чтобы за время прохождения частицей пространства между катодной и анодной сетками t₁, где возможна ионизация частиц, количество свободных электронов, прошедших от катодной до анодной сетки и обратно за время t₁, равнялось количеству частиц, плотно упакованных в один слой, равный по площади поперечному сечению канала инжектора S. Время t₁ находим из выражения:

где - длина пространства между анодной и катодной сетками, где возможна ионизация молекул;

- средняя скорость молекул в направлении оси инжектора при температуре Т. (Для приведенного примера Т=500 К);

Т - температура газа в градусах Кельвина;

k=1.38· 10^-23 - константа Больцмана;

m - масса молекулы (Для молекулы водорода m=3.346· 10^-27 кг).

Ток анодной сетки клапана I_аск определим из уравнения:

где q - заряд свободных электронов, проходящих от катодной до анодной сетки и обратно за время t₁, который равен отношению квадрата диаметра канала инжектора к квадрату диаметра молекул (молекул водорода), умноженный на элементарный заряд электрона е=1.60218· 10^-19 Кл;

0.1 - отношение площади поперечного сечения анодной сетки клапана S_аск к площади поперечного сечения канала инжектора S.

Мощность, потребляемая клапаном, определяется выражением:

Оптимальное значение U_акк получим, приравняв нулю производную от выражения для мощности, потребляемой клапаном при постоянной температуре.

отсюда U_акк=2U_ион, то есть при U_акк=2U_ион мощность, потребляемая клапаном. минимальна. Для приведенного примера имеем:

U_акк=2U_ион=13.6· 2=27.2 В.

Р=U_акк ·_{Iаск=27.2· 2.432=66.15 Вт.}

Из приведенного расчета следует, что надежное управление клапаном, предложенным для расчета, может быть осуществлено, если для режима открытого состояния U_акк=0, для перевода клапана из открытого состояния в закрытое необходим короткий импульс U_акк ≥_{500 В, а для надежного удержания клапана в закрытом состоянии Uакк ≈30 В. Целью расчета накопительной камеры является получение значений напряжения источника питания накопительной камеры, а также значения сопротивления Rасн в цепи анодной сетки накопительной камеры. Начало процесса ионизации и вывода образовавшейся плазмы из накопительной камеры происходит при одновременном выключении закрытого состояния клапана, подачи напряжения на анодную сетку накопительной камеры и короткого положительного импульса на управляющей сетке накопительной камеры. Необходимым условием начала ионизации газа в накопительной камере является такое значение напряжения между катодной и анодной сеткой накопительной камеры Uакн, при котором свободные электроны катодной сетки в промежутках времени между столкновениями с молекулами газа приобретают энергию, равную или большую энергии ионизации Uион, отсюда следует, что}

где U_ион - энергия ионизации молекул газа (для водорода U_ион=13.6 В);

L_акн - расстояние между катодной сеткой и анодной сеткой накопительной камеры;

l_се - средняя длина свободного пробега электрона.

Средняя длина свободного пробега электрона l_се зависит от концентрации и диаметра молекул газа и определяется из равенства

где n - концентрация молекул газа;

π =3.141... - постоянная;

D - диаметр молекулы газа (диаметр молекулы водорода D=2.2 · 10^-10 м).

Далее находим, что

для приведенного примера имеем:

U_акн=0.25· 13.6· 0.015· 3,536· 10²²·^{3.141· (2.2· 10-10)2=274,12 В.}

С целью получения надежной работы инжектора примем значение U_акн равным 2000 В. Ионизированный газ имеет малое сопротивление электрическому току, поэтому ток накопительной камеры, а следовательно, и время вывода плазмы из накопительной камеры определяются значением сопротивления в цепи источника накопительной камеры сосредоточенном в основном в резисторе R_асн. Далее ток накпительной камеры I_нк находим из выражения:

Время вывода плазмы из накопительной находим из выражения:

где q_н - полный заряд ионов накопительной камеры, который определяется для водорода как удвоенное число молекул в объеме накопительной камеры, умноженное на элементарный заряд электрона е=1.602· 10^-19 Кл.

Далее находим значение R_асн из выражения:

Для приведенного примера имеем:

и импульсный ток накопительной камеры

В представленном описании и в приведенном в нем примере расчета инжектора холодной плазмы использованы материалы заявки 2002106911/06(007117) под названием Быстродействующий газовый клапан низкого давления. Быстродействующий газовый клапан низкого давления является базовым элементом инжектора холодной плазмы, объединенным в одном корпусе с накопительной камерой, и имеющими общий элемент, подогреваемую катодную сетку.

Инжектор холодной плазмы предназначен для использования в термоядерных реакторах. Инжектор холодной плазмы представляет собой цилиндрическую трубку. Последняя выполнена из термостойкого изолятора. В полость трубки, перпендикулярно ее оси, встроены шесть сеток-электродов. Последние образуют быстродействующий газовый клапан и накопительную камеру. Первая сетка на входе инжектора – анодная сетка накопительной камеры. Вторая сетка – управляющая сетка накопительной камеры. Третья сетка – катодная сетка, является общей для накопительной камеры и клапана. Четвертая сетка – управляющая сетка клапана, пятая сетка – анодная сетка клапана. Шестая сетка – экранная сетка инжектора. Управление инжектором осуществляется с помощью подаваемых на сетки инжектора напряжений. Обеспечивается быстрый и точно дозируемый ввод холодной плазмы в вакуумную камеру. 2 ил.

Инжектор холодной плазмы, представляющий собой цилиндрическую трубку, отличающийся тем, что в цилиндрическую трубку, выполненную из термостойкого изолятора (например, стекла или радиофарфора), внутрь полости перпендикулярно ее оси встроены шесть сеток-электродов, образующих быстродействующий газовый клапан и накопительную камеру, при этом первая сетка на входе инжектора - анодная сетка накопительной камеры, коммутируется на источник питания накопительной камеры для образования и вывода плазмы, вторая сетка - управляющая сетка накопительной камеры, формирует импульс ионизации газа в накопительной камере, третья сетка - катодная сетка, является общей для накопительной камеры и клапана, выполненная подогреваемой для эмиссии свободных электронов и соединена с общей шиной источников накопительной камеры и клапана, четвертая сетка - управляющая сетка клапана, управляет током закрытого состояния анодной сетки клапана, пятая сетка - анодная сетка клапана, подключена к "плюсу" источника питания клапана и формирует электрические поля между анодной, катодной сетками клапана, а также между анодной и экранной сеткой - шестой сеткой инжектора, соединенной с "минусом" источника питания клапана, а управление инжектором осуществляется с помощью напряжений, подаваемых на сетки инжектора.