СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ БОЛЬШИХ ОБЪЕМОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАМАГНИЧЕННОЙ ПЛАЗМЫ Российский патент 2021 года по МПК H05H1/24 

Изобретение относится к области физики плазмы, газового разряда, сильноточной электроники и т.д., и может быть использовано для генерации магнитоактивной низкотемпературной плазмы в больших объемах, в том числе в целях проведения научно-исследовательской деятельности.

Из предшествующего уровня техники известны способы генерации плотной объемной импульсной плазмы [1, 2, 3], включающие установку полого самокалящего сетчатого катода и сетчатого анода внутри рабочей камеры вдоль ее оси, напуск газа в разрядный промежуток, подвод напряжения к электродам, достаточного для зажигания газового разряда. Посредством таких способов получают токи разряда до 100 А и, соответственно, объемную низкотемпературную газоразрядную плазму с высокой концентрацией.

Основными недостатками этих способов являются необходимость поддержания высокого давления рабочего газа в полом катоде (~10 Па), что приводит к высокой скорости рекомбинации образованной плазмы и, как следствие, к резкому спаду ее концентрации вдоль оси разрядного промежутка, а также ограничение тока пучка электронов величиной ~100 А, обусловленное переходом тлеющего разряда в дугу с катодным пятном.

Также известен способ формирования больших объемов низкотемпературной замагниченной плазмы, используемый на лабораторных стендах LAPD [4] и LVPD [5]. Этот способ заключается в размещении термокатода и сетчатого анода внутри вакуумной камеры вдоль ее оси на расстоянии друг от друга ~0,5 м, создании внутри вакуумной камеры разреженного газового пространства с давлением ~10^-5 Торр, формировании в вакуумной камере с помощью внешнего соленоида и источника постоянного тока квазипостоянного сильного магнитного поля, и подводке к электродам одиночного импульса напряжения. В результате этого в газоразрядном промежутке формируется объемный газовый разряд с током ~100 А и образуется низкотемпературная замагниченная плазма, которая сквозь сетчатый анод проникает в рабочий объем вакуумной камеры ~10 м³.

В процессе горения газового разряда амплитуда импульса напряжения, приложенного между термокатодом и сетчатым анодом, заметно «проседает», поэтому на различных участках импульса разрядного тока его значения заметно различаются. Это приводит к нестабильному горению разряда и, как следствие, к непостоянству параметров образованной плазмы.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ формирования больших объемов низкотемпературной замагниченной плазмы, отображенный в [6]. Этот способ включает в себя установку плоского сплошного термокатода и плоского сетчатого анода с большой прозрачностью внутри вакуумной камеры вдоль ее оси и создание внутри вакуумной камеры разреженного пространства с давлением ~10^-5 Торр, заполненного гелием (Не). Затем посредством внешнего соленоида внутри вакуумной камеры формируют квазипостоянное сильное магнитное поле. После этого к предварительно нагретому до рабочей температуры термокатоду и сетчатому аноду прикладывают пакеты импульсов напряжения с амплитудой ~100 В с фиксированной периодичностью и в межэлектродном пространстве загорается объемный газовый разряд с током ~100 А длительностью ~10 мс. При этом в периоды «нулевых» фаз импульсов напряжения ток в газоразрядном промежутке сохраняется за счет того, что токовый контур, проходящий через межэлектродное пространство, замыкается через шунтирующий диод, подключенный параллельно сглаживающему пульсации разрядного тока дросселю и разрядному промежутку, а также за счет того, что разрядный промежуток запитывается энергией дросселя, который накапливает ее во время положительных фаз импульсов напряжения.

В процессе горения этого разряда образуется низкотемпературная замагниченная плазма, которая через сетчатый анод инжектируется в рабочее пространство вакуумной камеры. Однако при формировании внешнего квазипостоянного сильного магнитного поля, сопровождающегося длительным прохождением тока большой величины, происходит разогрев полеобразующего соленоида и заметное увеличение его сопротивления, что влечет за собой неконтролируемое снижение тока через соленоид и формируемого им магнитного поля и, как следствие, неконтролируемое изменение степени замагниченности плазмы в рабочем объеме вакуумной камеры.

Также во время горения разряда эмиссионная способность термокатода, влияющая на величину разрядного тока, варьируется произвольным образом в довольно широких пределах. В связи с этим в разных импульсах одного пакета для достижения верхней и нижней границ заданного диапазона стабилизации тока требуются разные длительности положительной и «нулевой» фазы импульсов напряжения. Подача на электроды фиксированных периодических импульсов не позволяет подстраиваться под изменения эмиссионной способности термокатода, что негативно сказывается на стабильности параметров плазмы, формируемой посредством вышеуказанного способа.

Задачей, па решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа формирования больших объемов низкотемпературной замагниченной плазмы с более стабильными параметрами.

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение стабильности параметров формируемой плазмы за счет совершенствования способа стабилизации тока газового разряда и тока полеобразующего соленоида.

Технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом формирования больших объемов низкотемпературной замагниченной плазмы, включающим следующие этапы: внутри объема вакуумной камеры вдоль ее оси размещают плоский сплошной термокатод и плоский сетчатый анод, обеспечивают разреженный газовый промежуток между термокатодом и анодом, посредством внешнего соленоида формируют в вакуумной камере осевое квазипостоянное сильное магнитное поле, к вышеуказанным электродам подводят достаточное для зажигания газового разряда напряжение в виде пакета прямоугольных импульсов, во время «нулевых» фаз которых обеспечивают непрерывность тока в газоразрядном промежутке, а пульсации тока в газоразрядном промежутке, возникающие при подаче на электроды импульсов напряжения, сглаживают, новым является то, что во внешнем соленоиде формируют стабилизированный квазипостоянный ток, а напряжение на электроды подают в виде пакета прямоугольных импульсов с изменяющимися относительно друг друга длительностями «нулевых» и положительных фаз.

Во внешнем соленоиде формируют стабилизированный квазипостоянный ток для того, чтобы получить в рабочем объеме вакуумной камеры квазипостоянное магнитное поле, позволяющее равномерно замагнитить все заряженные частицы, образованные в результате газового разряда, что положительно сказывается на стабильности параметров формируемой плазмы.

Подачей на электроды пакета прямоугольных импульсов напряжения с изменяющимися длительностями «нулевых» и положительных фаз обеспечивается возможность осуществления режима импульсной стабилизации тока, позволяющего подстраиваться под изменения эмиссионной способности термокатода, и, как следствие, возможность формирования в газоразрядном промежутке потока заряженных частиц с постоянными во времени характеристиками, что положительно влияет на стабильность параметров формируемой плазмы.

На Фиг. 1 представлена схема устройства, позволяющая реализовать заявляемый способ, где 1 - источник постоянного напряжения, 2 - ключ, 3 - дроссель, 4 - газоразрядный промежуток с термокатодом (к) и сетчатым анодом (а), 5 - внешний соленоид, 6 - диод.

На Фиг. 2 приведены типовые осциллограммы выходного напряжения источника 1 и соответствующего стабилизированного тока, протекающего через термокатод 4к.

Заявляемый способ формирования больших объемов низкотемпературной замагниченной плазмы осуществляется в примере устройства, приведенном на фиг. 1, следующим образом. Сначала внутри вакуумной камеры с объемом 6 м³ вдоль ее оси устанавливают сплошной плоский ВаО-термокатод 4к и плоский сетчатый анод 4а, имеющий прозрачность для электронов 95%, на расстоянии ≈0,4 м друг от друга. Затем производят полную откачку атмосферного воздуха из вакуумной камеры, напускают в нее рабочий газ, в частности, гелий (Не) и снова производят откачку до рабочего давления ~10^-5 Торр. Тем самым обеспечивают разреженный газовый промежуток 4 между термокатодом 4к и анодом 4а. После разогревают термокатод 4к до рабочей температуры ≈900°С. Далее с помощью внешнего соленоида 5. окольцовывающего вакуумную камеру, посредством пропускания через него квазипостоянного стабилизированного тока величиной ~200 А в рабочем объеме камеры формируют квазипостоянное осевое магнитное поле с индукцией ~100 мТл и стабильными во времени параметрами. Стабилизированный ток получают с помощью внешнего мощного источника постоянного тока с напряжением 800 В, выполненного на основе сборки из 64 стартерных аккумуляторных батарей и работающего в режиме импульсной стабилизации тока в индуктивной нагрузке, т.е. в соленоиде 5. Затем посредством замыкания ключа 2, выполненного на основе сильноточного полупроводникового транзистора, к термокатоду 4к и аноду 4а подключают мощный источник постоянного напряжения 1, выполненный из восьми стартерных аккумуляторных батарей, и тем самым подводят к вышеуказанным электродам прямоугольный импульс с напряжением 100 В. За время этого импульса в газоразрядном промежутке 4 загорается разряд и ток разряда постепенно возрастает до величины ≈200 А. При этом формируется низкотемпературная гелиевая плазма с концентрацией ~10¹² см^-3, которая через сетчатый анод 4а инжектируется в рабочий объем вакуумной камеры.

По достижению током в газоразрядном промежутке 4 заданного верхнего предела (202 А) ключ 2, управляемый контроллером, размыкается, и импульс напряжения, подводимый к термокатоду 4к и аноду 4а, переходит из положительной фазы в «нулевую» фазу. При «нулевой» фазе энергию, необходимую для поддержания процесса горения газового разряда, отдает дроссель 3, накапливавший ее в течение положительной фазы импульса напряжения. В это время разрядный ток лишь плавно спадает, разряд продолжает равномерно гореть, а плазма формироваться, тем самым обеспечивают непрерывность тока в газоразрядном промежутке 4 в период «нулевой» фазы импульса напряжения. При этом контур разрядного тока, проходящий через дроссель 3 и газоразрядный промежуток 4, замыкается через шунтирующий сильноточный полупроводниковый диод 6. Также с помощью дросселя 3 сглаживаются пульсации тока в газоразрядном промежутке 4, возникающие при подаче на электроды пакета импульсов напряжения, и тем самым обеспечивается плавность как нарастания, так и спада разрядного тока.

По достижению током в газоразрядном промежутке 4 заданного нижнего предела (198 А) ключ 2 замыкается, к терм о катоду 4к и аноду 4а вновь подводится напряжение источника 1, и разрядный ток плавно возрастает до верхнего предела (202 А), после достижения которого ключ 2 снова размыкается. Дальнейший процесс генерации разрядного тока камеры повторяется и таким образом получается, что напряжение на электроды подают в виде пакета прямоугольных импульсов. В результате этого формируется стабилизированный разрядный ток и, соответственно, замагниченная низкотемпературная плазма со стабильными параметрами. При этом длительности положительной и «нулевой» фазы импульсов напряжения в пакете отличаются друг от друга на несколько процентов, поскольку эмиссионная способность термокатода от импульса к импульсу неконтролируемо изменяется как в большую, так и меньшую сторону в пределах 1-10%.

В примере конкретного исполнения на предприятии при проведении научно-исследовательской деятельности посредством заявляемого способа многократно формировался столб низкотемпературной магнитоактивной гелиевой плазмы. Типичные для этих экспериментов осциллограммы выходного напряжения источника 1 и соответствующего стабилизированного тока, протекающего через термокатод 4к, приведены на Фиг. 2. На осциллограмме тока видно, что ширина диапазона стабилизации составляла ≈2% от величины тока, сформированного в газоразрядном промежутке 4. При этом происходило несколько десятков переключений ключа 2.

Источники информации:

[1] Форрестер А.Т. Интенсивные ионные пучки.

[2] Москалев Б.И. Разряд с полым катодом. М.: Энергия, 1969, с. 164-169.

[3] А.с. №2632927, опубл. 10.11.2017, Гаврилов Н.В., Каменецких А.С., Меньшаков А.И., Способ генерации плотной объемной импульсной плазмы.

[4] Gekelman W., Pfister Н., Lucky Z., Bamber J., Leneman D., Maggs J. Rev. Sci. Instrum. 3991,62 (12), p.2875.

[5] S.K. Mattoo, V.P. Anitha, L.M. Awasthi, G. Ravi J. Rev. Sci. Instrum. 2001, 72 (10), p.3864.

[6] Патент RU №2711180, приор. 16.04.2019, Буянов А.Б., Воеводин С.В., Корчиков B.C., Лимонов А.В., Нечайкин Р.В., Перминов А.В., Тренькин А.А., Цицилин П.А., Устройство формирования низкотемпературной магнитоактивной плазмы в больших объемах, опубл. 15.01.2020.

Изобретение относится к области физики плазмы, газового разряда, сильноточной электроники и т.д. и может быть использовано для генерации магнитоактивной низкотемпературной плазмы в больших объемах, в том числе в целях проведения научно-исследовательской деятельности. Технический результат - повышение стабильности параметров формируемой плазмы за счет совершенствования способа стабилизации тока газового разряда и тока полеобразующего соленоида. Способ включает следующие этапы: внутри объема вакуумной камеры вдоль ее оси размещают плоский сплошной термокатод и плоский сетчатый анод, обеспечивают разреженный газовый промежуток между термокатодом и анодом, посредством внешнего соленоида формируют в вакуумной камере осевое квазипостоянное сильное магнитное поле, к вышеуказанным электродам подводят достаточное для зажигания газового разряда напряжение в виде пакета прямоугольных импульсов, во время «нулевых» фаз которых обеспечивают непрерывность тока в газоразрядном промежутке, а пульсации тока в газоразрядном промежутке, возникающие при подаче на электроды импульсов напряжения, сглаживают. Во внешнем соленоиде формируют стабилизированный квазипостоянный ток, а напряжение на электроды подают в виде пакета прямоугольных импульсов с изменяющимися относительно друг друга длительностями «нулевых» и положительных фаз. 2 ил.

Способ формирования больших объемов низкотемпературной замагниченной плазмы, заключающийся в том, что внутри объема вакуумной камеры вдоль ее оси размещают плоский сплошной термокатод и плоский сетчатый анод, обеспечивают разреженный газовый промежуток между термокатодом и анодом, посредством внешнего соленоида формируют в вакуумной камере осевое квазипостоянное сильное магнитное поле, к вышеуказанным электродам подводят достаточное для зажигания газового разряда напряжение в виде пакета прямоугольных импульсов, во время «нулевых» фаз которых обеспечивают непрерывность тока в газоразрядном промежутке, а пульсации тока в газоразрядном промежутке, возникающие при подаче на электроды импульсов напряжения, сглаживают, отличающийся тем, что во внешнем соленоиде формируют стабилизированный квазипостоянный ток, а напряжение на электроды подают в виде пакета прямоугольных импульсов с изменяющимися относительно друг друга длительностями «нулевых» и положительных фаз.