Дуговой генератор плазмы Российский патент 2025 года по МПК H05H1/34 

Изобретение относится к области плазменной техники, дуговых генераторов плазмы с холодным катодом и управляемого термоядерного синтеза (УТС) и используется для получения плазмы.

Дуговой генератор плазмы (ДГП) представляет собой устройство, в котором в вакуумный канал между металлическими электродами – анодом и катодом (имеются также вспомогательные электроды) напускают рабочий газ и зажигают дуговой разряд. Газ ионизируется, полученная плазма под действием собственного давления, выбрасывается из канала через отверстие в аноде в расширительную камеру. Магнитной катушкой создается продольное магнитное поле, которое увеличивает время жизни электронов в разряде, что в несколько раз превышает эффективность ионизации газа и выход плазмы. Далее полученная плазма может использоваться для различных целей: для целей УТС; в качестве эмиттера для извлечения пучков заряженных частиц (ионов или электронов); для технологических применений (облучение материалов) и др.

Из уровня техники известен дугоразрядный генератор плазмы «Low energy, high power hydrogen neutral beam for plasma heating» (P. Deichuli, V. Davydenko, A. Ivanov, S. Korepanov, V. Mishagin, A. Smirnov, A. Sorokin, N. Stupishin, Rev. Sci. Instrum., vol. 86, 113509, 2015), состоящий (фиг. 1) из полого катода (далее – катод) (1), анода (6), набора диафрагм (4) и изоляторов (3), магнитной катушки (5), фланца-держателя катода (7), фланца-держателя анода (8), газовых клапанов и каналов водяного охлаждения (на фиг. 1 не указано). Через газовые клапаны подают рабочий газ (например, водород) в область между анодом и катодом, затем инициируется разряд, полученная плазма собственным давлением выталкивается через отверстие в аноде в плазменную камеру, где используется по назначению. Между катодом и анодом ДГП расположен набор диафрагм с отверстием на оси, которые формируют канал разряда. Прикатодная диафрагма канала закрыта со стороны катода изолятором для предотвращения замыкания между диафрагмой и катодом.

Недостатком такого ДГП является значительная эрозия катода и прикатодных элементов конструкции, прежде всего прикатодной диафрагмы разрядного канала. Это ограничивает длительность импульсов, ресурс работы устройства и приводит к необходимости периодической чистки и замены элементов. Чистка и замена элементов ДГП связана с развакууммированием и создает неудобства в работе научных и технологических установок, особенно если используется параллельная работа множества ДГП, как, например, в системах инжекции мощных пучков для нагрева плазмы в установках УТС. Эрозия материала катода может приводить к накоплению распыляемого материала на изолирующих поверхностях в разрядном канале в прикатодной области, что нарушает режим разряда, может повреждать элементы и ухудшать параметры генератора плазмы. Наиболее неблагоприятным отклонением от штатного режима разряда в ДГП, вызванным эрозией катода осаждением материала на прикатодные элементы, является переход разряда с поверхности катода на поверхность прикатодных элементов, что приводит к их повреждению.

ДГП должны работать в вакууме, а значит выдавать как можно меньше сопутствующего газа. Поэтому преимуществом ДГП является высокая газовая эффективность (50-100%), которой и обладает предложенное изобретение. Оно превращает в плазму почти весь напускаемый рабочий газ (90-100%), при этом не ухудшая вакуумные условия. Этим предлагаемое ДГП радикально отличается от плазмотронов, которые работают обычно в атмосфере и наряду с плазмой выдают поток избыточного газа, который способствует охлаждению электродов плазмотрона. Это позволяет плазмотронам работать длительными импульсами, практически стационарно.

Преимущества ДГП по сравнению с ВЧ-разрядными источниками плазмы – простота системы питания (постоянный ток) и отсутствие электромагнитных наводок на внешнее окружение. Кроме того, в предлагаемом ДГП область генерации плазмы компактная, с плотностью мощности разряда порядка 10 кВт/см³ при плотности плазмы 10¹⁴÷10¹⁵ см^-3, что обеспечивает 90-100% степень ионизации и низкое (~10% и менее) содержание молекулярных ионов при газовой эффективности достигающей 100%.

По сравнению с генераторами плазмы с накаливаемым катодом предлагаемый ДГП не имеет раскаленных (до 1500-2000°С) элементов, уязвимых с точки зрения механической стойкости и потери эмиссионных свойств.

Технический результат предложенного изобретения заключается в такой конструкции прикатодного узла разрядного канала, в которой значительно уменьшена эрозия катода и прикатодных элементов конструкции и в несколько раз увеличен ресурс ДГП без существенного усложнения исходной конструкции ДГП.

Поставленная задача решается конструкцией прикатодного изолятора из термостойкого материала, которая, во-первых, препятствует локализации катодных пятен разряда вблизи линии контакта катод – изолятор, что достигается выступом на прикатодном изоляторе (3) вглубь полого катода (1), причем выступающая часть изолятора с внешней стороны имеет зазор с поверхностью катода. Во-вторых, внутренняя часть этого выступа изолятора образует зазор с термостойкой приосевой вставкой изолятора, препятствующий напылению материала на поверхность изолятора. В-третьих, в приосевой части изолятора, предусмотрена тугоплавкая вставка (2), например, из графита, возможен также вольфрам либо иные более тугоплавкие материалы, например, карбид гафния. Поскольку приосевая область изолятора является самой термонагруженной т.к. на этом участке происходит сжатие линий тока разряда со всей поверхности катода в осевой канал, то такая тугоплавкая вставка увеличивает срок службы изолятора. В результате значительно (в десятки раз) снижается осаждение материала эрозии на изоляторе, повышается термостойкость разрядного канала ДГП. Данные меры позволяют значительно увеличить длительность рабочих импульсов ДГП (до ~ 1 сек), сохранив приемлемый ресурс работы – около десяти тысяч импульсов.

ДГП поясняется фиг. 2 и состоит из катода (1), анода (6), прикатодного изолятора (3) с тугоплавкой вставкой из графита (2), набора кольцевых диафрагм (4) из молибдена и меди, которые формируют осевой канал разряда, магнитная катушка (5) создает магнитное поле в канале разряда. Катод и анод имеют водяное охлаждение (на фиг. 2 не указано).

ДГП работает следующим образом: в разрядный канал между молибденовым катодом (1) и медным анодом (6) подают дозированный поток рабочего газа и инициируют дуговой разряд. Разряд горит в продольном магнитном поле магнитной катушки (5). Газ ионизируется, получаемая плазма под действием собственного давления выбрасывается из канала через отверстие в аноде (6) в расширительную камеру. Величина выходного потока плазмы регулируется величиной тока разряда и величиной магнитной катушки. Набор молибденовых и медных диафрагм (4) ограничивает и формирует разрядный канал. Ток разряда может регулироваться в диапазоне от ~200А до 1 кА. Молибденовый катод и медный анод имеют водяное охлаждение. Износ анода и диафрагм канала (кроме ближайшей к катоду) незначителен и практически не ограничивает срок службы ДГП. Эмиссия электронов на катоде обеспечивается обычным процессом для разряда с холодным катодом – катодными пятнами, распределенными и перемещающимися по внутренней поверхности катодной полости. Распыленный материал катода осаждается в основном на поверхности катода, поэтому эрозия катода слабо влияет на работоспособность и срок службы ДГП. Главными факторами, ограничивающим допустимую длительность импульса разряда и рабочий ресурс ДГП, являются постепенное накопление продуктов эрозии на прикатодном изоляторе (3) и тепловая нагрузка на его приосевую область. В данном изобретении описанная конструкция прикатодного узла в значительной степени снижает эти неблагоприятные факторы и повышает допустимую длительность импульса и ресурс ДГП.

Итоговым результатом изобретения является модернизации ДГП, обеспечивающая возможность его работы в режиме мощных, до 100 кВт, разрядов с длительностью рабочего импульса до 1 секунды и с рабочим ресурсом до 10 тысяч импульсов, соответствующим примерно одному году работы плазменной установки в исследованиях по УТС. ДГП обеспечивает суммарный выходной поток плазмы до ~1 кА (эквивалентных ампер) и создание плазменного эмитера с током эмиссии ионов ~50 А для инжекторов пучков мегаваттной мощности для нагрева плазмы в УТС.

Изобретение относится к области плазменной техники, дуговых генераторов плазмы с холодным катодом и управляемого термоядерного синтеза и используется для получения плазмы. Дуговой генератор плазмы состоит из полого катода, анода, набора диафрагм и изоляторов, магнитной катушки, фланца-держателя полого катода, фланца-держателя анода, газовых клапанов и каналов водяного охлаждения. В конструкции устройства на прикатодном изоляторе выполнен выступ, который уходит вглубь полого катода. Также этот выступ с внешней стороны образует зазор с поверхностью полого катода, а внутренняя часть выступа образует зазор с термостойкой вставкой изолятора. Термостойкая вставка изолятора выполнена из тугоплавкого материала, например из графита или вольфрама. Технический результат - значительное уменьшение эрозии катода и прикатодных элементов конструкции, что позволит в несколько раз увеличить ресурс дугового генератора плазмы без существенного усложнения исходной конструкции. 2 ил.

Дуговой генератор плазмы, включающий в себя полый катод, анод, набор диафрагм и изоляторов, магнитную катушку, фланец-держатель полого катода, фланец-держатель анода, газовые клапаны и каналы водяного охлаждения, отличающийся тем, что прикатодный изолятор имеет выступ вглубь полого катода и при этом с внешней стороны имеет зазор с поверхностью катода, а внутренняя часть выступа образует зазор с термостойкой вставкой изолятора, которая выполнена из тугоплавкого материала.