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 и плазма, получаемая под действием собственного давления, выбрасывается из канала через отверстие в аноде в расширительную камеру. В разрядном канале создается продольное магнитное поле магнитной катушкой, которое увеличивает время жизни электронов в разряде, что в несколько раз повышает 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 «Neutral beam injector for active plasma spectroscopy» (S. A. Korepanov; G. F. Abdrashitov; D. Beals; V. I. Davydenko; P. P. Deichuli, N. V. Stupishin and etc. Rev.Sci Instrum.., vol. 75, p.1829-1831, 2004) (фиг. 1), состоящий из полого катода (далее – катод) (1), анода (6), набора кольцевых диафрагм (4), выполненных из молибдена и меди, прикатодного изолятора (2), магнитной катушки (5), фланца-держателя катода (7), фланца-держателя анода (8), газовых клапанов и каналов водяного охлаждения катода и анода (на фиг.1 не указаны). Через газовые клапаны в область между катодом и анодом подают рабочий газ (например, водород), затем поджигается разряд. Газ ионизуется и полученная плазма собственным давлением выталкивается через отверстие в аноде в плазменную камеру, где используется по назначению. Между катодом и анодом ДГП расположен набор металлических диафрагм с отверстием на оси, которые формируют канал разряда. Прикатодная диафрагма канала закрыта со стороны катода изолятором для предотвращения замыкания ее на катод с переходом горения разряда на прикатодную диафрагму.

Недостатком такого ДГП является значительная эрозия катода и прикатодных элементов конструкции, которая приводит к разрушению, прежде всего, прикатодной диафрагмы разрядного канала. Кроме того, подобная конструкция ДГП ограничивает длительность импульсов и ресурс работы устройства. Малый ресурс работы элементов ДГП создает неудобства в работе научных и технологических установок, особенно если используется параллельная работа множества таких устройств, как, например, в системах инжекции мощных пучков для нагрева плазмы в установках УТС. Эрозия материала катода может приводить в 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, является осаждение материала на прикатодные элементы, при котором происходит 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. Следовательно, преимуществом ДГП является высокая газовая эффективность (50-100%), которой и обладает предложенное изобретение, так как 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 устройства, тем самым позволяет плазмотронам работать длительными импульсами, практически стационарно.

Основное преимущество ДГП по сравнению с ВЧ-разрядными источниками плазмы состоит в том, что область генерации плазмы в ДГП достаточно компактная с высокой плотностью плазмы в разрядном канале – 10¹⁴÷10¹⁵ см^-3 при температуре 3-10 эВ, что обеспечивает низкое (~10% и менее) содержание молекулярных ионов и высокую степень ионизации плазмы (~100%) при газовой эффективности, достигающей 100%. Кроме того, ДГП имеют относительно простотую систему питания для поддержания постоянного тока разряда и не создают сильных ВЧ электромагнитных наводок на внешние устройства.

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

Технический результат предложенного изобретения заключается в такой конструкции прикатодного узла разрядного канала, которая позволяет значительно уменьшить эрозию катода и прикатодных элементов конструкции и повысить длительность рабочих импульсов до 10 сек. для получения пучков быстрых атомов при достаточно большом (не менее года эксплуатации) рабочем ресурсе ДГП.

Поставленная задача решается усовершенствованной конструкцией ДГП, в которой:

1) Отсутствует изолятор между рабочей полостью катода и прикатодной диафрагмой и, соответственно, исчезает проблема его эрозии и запыления поверхности, а изоляция катода и прикатодной диафрагмы в области разряда обеспечивается вакуумным зазором между ними.

2) Прикатодная диафрагма изготовлена из тугоплавкого материала (например, молибден) и имеет тонкие (~0.5 мм) радиальные разрезы в приосевой области. Поскольку приосевая область диафрагмы является самой термонагруженной, т.к. на этом участке происходит сжатие линий тока разряда со всей поверхности катода в осевой канал, то такие разрезы устраняют термомеханические деформации при нагреве диафрагмы. Достаточно сделать 4 сквозных разреза с шагом 90° и длиной примерно равной диаметру отверстия диафрагмы для снятия напряжений и деформаций.

3) Прикатодная диафрагма имеет в приосевой области выступ (высотой порядка радиуса полости) вглубь катодной полости, что препятствует локализации катодных пятен на краю катода, где зазор с прикатодной диафрагмой минимален, и снижает опасность замыкания катода и прикатодной диафрагмы.

4) На поверхности катодного фланца установлены дугогасящие вставки из термостойкого материала (например, из керамики или нитрида бора) для предотвращения распростанения разряда из внутренней катодной полости в периферийную область.

5) Диафрагмы разрядного канала, включая прикатодную диафрагму, имеют центрирующие выступы и отделены друг от друга кольцевыми керамическими изоляторами и вакуумными уплотнениями так, что при стягивании они образуют соосную герметичную сборку. При этом внутренняя приосевая область сборки образует разрядный канал в вакууме, а область по наружному диаметру диафрагм выведена из вакуумной части в атмосферу, что позволяет обеспечить автономное водяное охлаждение каждой диафрагмы. Кольцевые изоляторы и точки их контакта с диафрагмами удалены по радиусу от разрядного канала, что устраняет опасность их электрического перемыкания.

6) Для интенсивного водяного охлаждения катода и анода, на которые замыкается ток разряда, в конструкции предусмотрены цилиндрическая (в катоде) и коническая (в аноде) полости на минимальном (2 мм или менее) расстоянии от рабочих поверхностей катода и анода.

В результате перечисленных особенностей кострукции многократно (в десятки раз) снижается эрозия элементов разрядного канала, повышаеся его термостойкость, увеличивается длительность рабочих импульсов до ~10 cек и суммарный рабочий ресурс ДГП.

Предложенное ДГП поясняется фиг.2, где 1 – катод, 3 – прикатодная диафрагма с выступом вглубь катода, 4 – набор кольцевых диафрагм, формирующих осевой канал разряда, 5 – магнитная катушка, создающая магнитное поле в канале разряда, 6 – анод, 7 – фланец-держатель катода, 8 – фланец-держатель анода, 9 – дугогасящие элементы из термостойкой керамики или нитрида бора; 10 – каналы водяного охлаждения катода, анода и диафрагм.

ДГП работает следующим образом: в разрядный канал между катодом (1), выполненным из молибдена, и анодом (6), выполненным из меди, 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 магнитного поля. Набор кольцевых молибденовых и медных диафрагм (4) ограничивает и формирует разрядный канал. Ток разряда может регулироваться в диапазоне от ~ 200А - 400А. ДГП имеет систему охлаждения (10), по которой подается охлаждающая жидкость, например, вода, ко всем элементам (катоду, аноду и диафрагмам) устройства. Износ анода (6) и диафрагм канала (4) (кроме прикатодной диафрагмы (3) ближайшей к катоду) незначителен и практически не ограничивает срок службы ДГП. Эмиссия электронов на катоде (1) обеспечивается обычным для разряда с холодным катодом процессом – катодными пятнами, 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, а главные факторы, ограничивающие допустимую длительность импульса разряда и рабочий ресурс ДГП – это возможное возникновение разряда между катодом (1) и диафрагмой (3) и ее повреждение из-за тепловой нагрузки на приосевую область диафрагмы. 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 модернизация ДГП, обеспечивающая возможность его работы в режиме мощных, до 60 кВт, разрядов с длительностью рабочего импульса до 10 секунд и с рабочим ресурсом, соответствующим примерно одному году работы крупной плазменной установки в исследованиях по УТС. Такой ДГП обеспечивает суммарный выходной поток плазмы в сотни эквивалентных ампер, или, например, создание однородного плазменного эмитера с током эмиссии ионов ~10 А для инжекторов атомарных пучков для диагностики плазмы в УТС.

Изобретение относится к области плазменной техники. Дуговой генератор плазмы (ДГП) содержит катод, прикатодную диафрагму, анод, набор кольцевых диафрагм и изоляторов, катушку магнитного поля, фланец-держатель катода, фланец-держатель анода, дугогасящие вставки, газовые клапаны и каналы водяного охлаждения. Причем прикатодная диафрагма, изготовленная из тугоплавкого материала, изолирована от катода вакуумным зазором и имеет в приосевой области выступ вглубь катодной полости высотой порядка радиуса полости и тонкие радиальные разрезы. На поверхности катодного фланца установлены дугогасящие вставки из термостойкого материала, а диафрагмы разрядного канала разделены кольцевыми керамическими изоляторами и образуют с ними соосную герметичную сборку, в которой внешние диаметры всех диафрагм выведены из вакуумной области в атмосферу и имеют водяное охлаждение. Техническим результатом является уменьшение эрозии катода и прикатодных элементов конструкции, а также повышение длительности рабочих импульсов до 10 с для получения пучков быстрых атомов при достаточно большом (не менее года эксплуатации) рабочем ресурсе ДГП. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Дуговой генератор плазмы, включающий в себя полый катод, анод, набор кольцевых диафрагм и изоляторов, магнитную катушку, фланец-держатель катода, фланец-держатель анода, дугогасящие вставки, газовые клапаны и каналы водяного охлаждения, отличающийся тем, что прикатодная диафрагма, изготовленная из тугоплавкого материала, изолирована от катода вакуумным зазором, имеет в приосевой области выступ вглубь катодной полости высотой порядка радиуса полости и тонкие радиальные разрезы; на поверхности катодного фланца установлены дугогасящие вставки из термостойкого материала, а диафрагмы разрядного канала разделены кольцевыми керамическими изоляторами и образуют с ними соосную герметичную сборку, в которой внешние диаметры всех диафрагм выведены из вакуумной области в атмосферу и имеют водяное охлаждение.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в полом катоде предусмотрен канал охлаждения в виде цилиндрической полости, которая находится на расстоянии 2 мм или менее от рабочей поверхности катода.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в аноде предусмотрен канал охлаждения в виде конической полости на расстоянии 2 мм или менее от рабочей поверхности анода.