СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1995 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к области плазменной техники и управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано для получения высокотемпературной плазмы с целью изучения ее свойств, а также с целью генерации нейтронного излучения.

Целью изобретения является увеличение температуры плазмы и уменьшение размеров плазменной камеры при заданной мощности источника электромагнитной энергии.

Изобретение поясняется чертежом, где изображено устройство для получения высокотемпературной плазмы, с помощью которого осуществляется способ.

Устройство содержит источник электромагнитной энергии 1 и осесимметричную плазменную камеру 2, состоящую из камеры 3 ускорения плазмы, которая образована коаксиальными внутренним 4 и наружным 5 электродами, и камеры торможения 6. Кольцевой зазор между электродами 4 и 5 выполнен в форме сопла Лаваля 7, камера торможения 6 выполнена в виде кольцевого зазора между коаксиальными электродами, которые являются продолжением электродов 4 и 5. Электроды 4 и 5 подключены к источнику 1 и к дополнительному источнику 8 начального магнитного поля. Электроды 4 и 5 отделены друг от друга изоляторами 9 и 10.

Способ реализуется следующим образом.

Камеру 2 заполняют газом, при этом для реализации способа заполнение камеры торможения 6 необязательно (в проведенных опытах заполнялись обе камеры 3 и 6 дейтерием или смесью изотопов водорода при начальном давлении 1-2 Торр). Затем в обе части камеры 2 (камеру ускорения 3 и находящуюся на выходе из сопла камеру торможения 6) с помощью источника 8 вводят начальное азимутальное магнитное поле, напряженность которого Н_о в области сопла 7 составляет 0,2-0,5 от максимальной напряженности поля Н_макс, создаваемого в этой области в процессе работы источника 1. Начальное поле вводят столь медленно, чтобы избежать в процессе его введения пробоев в газе и по поверхностям изоляторов 9 и 10. В опытах величина Н_о составляла от 15 до 25 кЭ, а время нарастания начального поля 200-300 мкс, так что электрическое напряжение между электродами 4 и 5 в самом узком месте сопла 7 было менее 250 В, т.е. меньше минимального пробойного напряжения на кривой Пашена для водорода.

После этого с помощью источника 1 производят ионизацию газа. Темп ионизации определяется напряженностями электрического и магнитного полей и плотностью газа и может быть увеличен с помощью специального источника ионизирующего излучения.

Затем с помощью источника 1 ускоряют полученную плазму, находящуюся в камере 3, до скорости, превышающей альфвеновскую скорость звука, пропуская плазму через сопло Лаваля под действием нарастающего в камере 3 давления магнитного поля. В опытах поле в камере 3 на входе в сопло 7 нарастало до максимальной напряженности Н_макс=60-80 кЭ за время 2 мкс при напряжении на изоляторе 9 примерно 50 кВ. При этом скорость плазмы на выходе из сопла достигала (1-1,5)х10⁸ см/с и в 3-5 раз превышала местную альфвеновскую скорость звука.

Ударная волна формируется на выходе из сопла 7 с помощью противодавления начального магнитного поля в камере 6.

Устройство работает следующим образом.

В процессе введения начального магнитного поля в заполненную газом камеру 2 выход источника 1 должен быть закорочен для замыкания цепи электрического тока от источника 8 (в другом варианте источник 8 может быть подключен к электродам 4 и 5 с той же стороны, что и источник 1, т.е. со стороны камеры 3 и изолятора 9, а изолятор 10 должен быть заменен на металл). Возникающее после включения источника 1 напряжение между электродами 4 и 5 возбуждает разряд в объеме газа и по поверхностям изоляторов 9 и 10, что приводит к ионизации газа и появлению в нем проводимости, достаточной для замораживания начального магнитного поля в образовавшуюся плазму. Нарастающее в камере 3 давление магнитного поля ускоряет плазму. При достаточно быстром нарастании напряженности этого поля, не слишком большой напряженности начального поля в камере 6 и достаточно малой ширине сопла 7 напряженность Н₁ поля в камере 3 растет быстрее, чем напряженность Н₂ поля в камере 6, и скорость плазменной струи на выходе из сопла 7 становится выше местной альфвеновской скорости звука. При этом на выходе из сопла за счет противодавления начального магнитного поля формируется квазистационарная ударная волна, в которой происходит торможение и нагревание плазмы. В то же время течение плазмы в основном объеме камеры 3 и камеры 6, за фронтом ударной волны, остается существенно дозвуковым. Это позволяет связать состояние плазмы в камере 3 и за фронтом ударной волны в камере 6 условием сохранения полной энтальпии, которое, с учетом малой величины теплового давления по сравнению с магнитным в камере 3, имеет вид:
H₁²/4π ρ₁=W₂+H₂²/4π ρ₂, где ρ₁ и ρ₂ плотности плазмы, соответственно, в камерах 3 и 6;
Н₁ и Н₂ напряженности магнитного поля в этих камерах;
W₂ энтальпия плазмы в камере 6.

С учетом условия вмороженности H₁/ρ₁=H₂/ρ₂ энтальпия W₂ определяется формулой
W₂= 1
(1) которая показывает, что при правильно выбранном соотношении Н₁/H₂ значительная часть магнитной энергии, перетекающей от источника 1 в камеру, может быть преобразована в тепловую энергию плазмы.

Из формулы (1) следует также, что, при заданной максимальной напряженности поля Н₁, создаваемого источником 1, температура плазмы обратно пропорциональна ее плотности. Таким образом, при заданном источнике 1 и выбранных размерах камеры повышение температуры плазмы достигается уменьшением ее начальной плотности. При этом выбирается соответственно меньшая ширина сопла для сохранения согласования времени вытекания плазмы из камеры 3 со временем работы источника 1. Форма камер 3 и 6 и сопла 7 выбирается так, чтобы обеспечить наименьшую неоднородность сверхзвуковой плазменной струи по ее поперечному сечению.

1. Способ получения высокотемпературной плазмы, включающий осуществление в плазменной камере ионизации газа, ускорение полученной плазмы азимутальным магнитным полем и последующие нагрев и торможение ее в ударной волне, отличающийся тем, что, с целью увеличения температуры плазмы и уменьшения размеров плазменной камеры при заданной мощности источника электромагнитной энергии посредством увеличения скорости плазмы относительно фронта ударной волны при одновременном уменьшении скорости плазмы в основном объекте плазменной камеры, перед ионизацией газа в объеме камеры, содержащей газ, создают начальное азимутальное магнитное поле, а ускорение полученной после ионизации газа плазмы производят до скорости, превышающей альфвеновскую скорость звука, путем пропускания через кольцевое сопло Лаваля, причем начальное магнитное поле создают также и в части камеры, расположенной на выходе из сопла. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью достижения максимального коэффициента преобразования электромагнитной энергии источника в тепловую энергию плазмы, напряженность начального магнитного поля выбирают в интервале 0,2 0,5 от максимальной напряженности. 3. Устройство для получения высокотемпературной плазмы, содержащее источник электромагнитной энергии и осесимметричную плазменную камеру, состоящую из камеры ускорения плазмы, образованной коаксиальными электродами, подключенными к источнику, и камеры торможения плазмы, отличающееся тем, что, с целью увеличения температуры плазмы и уменьшения размеров плазменной камеры при заданной мощности источника электромагнитной энергии, кольцевой зазор между электродами камеры ускорения выполнен в форме сопла Лаваля, камера торможения выполнена в виде кольцевого зазора между коаксиальными электродами, которые являются продолжением электродов камеры ускорения, а к электродам подключен дополнительный источник начального магнитного поля.