СПОСОБ СИНТЕЗА ШАРОВЫХ ПЛАЗМОИДОВ Советский патент 1995 года по МПК H05H1/02 H05H1/14 

Изобретение относится к физике плазмы и физике газового разряда и может быть использовано в различных областях науки и техники, например, в источниках электрической энергии, в генераторах сильного магнитного поля и других.

Цель изобретения заключена в разработке способа синтеза шаровых плазмоидов посредством накачки дополнительной энергии и возможности изучения его структуры.

На фиг. 1-12 представлены чертежи, иллюстрирующие способ синтеза шарового плазмоида посредством накачки дополнительной энергии с возможностью изучения его структуры.

На фиг. 1 дана принципиальная электрическая схема установки синтеза шаровых плазмоидов, где:
1 источник электропитания;
2 пусковой конденсатор;
3 блок управления;
4 коммутатор;
5 повышающий трансформатор;
6 дроссель;
7 кольцевой катод;
8 индукционная катушка;
9 электромагнитная катушка накачки;
10 электромагнитная катушка магнитной ловушки;
11 резистор;
12 генератор импульсов тока накачки;
13 стержневой анод;
14 электромагнитная катушка накачки;
15 электромагнитная катушка магнитной ловушки;
16 высоковольтный конденсатор;
17 формирователь ускоряющего импульса;
18 ускоряющая обмотка;
19 устройство с каркасом;
20 металлический экран.

На фиг. 2 временные диаграммы импульсов тока нескольких элементов и устройств установки синтеза шаровых плазмоидов по фиг. 1, где:
I₁₆ разряд постоянного тока;
I₅ импульсы запуска (вторичной обмотки повышающего трансформатора 5);
I₁₂ импульсы накачки переменного тока;
I₉ выталкивающий импульс тока;
I₁₇ импульс тока;
На фиг. 3 сборочный чертеж конструкции синтезатора шаровых плазмоидов по фиг. 1, где:
13 стержневой анод;
7 кольцевой катод;
8 индукционная катушка;
21 катодный ускоритель;
22 перемычка;
23 однополюсный разъем;
24 коническая камера катодного ускорителя (<обр=30^о);
25 катодная заглушка;
26 катодный перешеек;
10 электромагнитная катушка магнитной ловушки;
9 электромагнитная катушка накачки;
27 тангенциальный патрубок;
28 тангенциально-вихревая втулка;
29 кольцевая тангенциально-вихревая камера;
30 сферическая камера;
31 выходной перешеек;
32 коническая камера ускорителя (<обр=10^о);
33 магнитный ускоритель;
18 обмотка ускорителя;
15 электромагнитная катушка магнитной ловушки
14 электромагнитная катушка накачки;
34 анодный патрубок.

На фиг. 4 упрощенная схема элементов конструкции синтезаторов шаровых плазмоидов по фиг. 1 и фиг. 3, поясняющая с помощью "элементарных" электромагнитных полей способ синтеза шаровых плазмоидов, где:
13 стержневой анод;
9 электромагнитная катушка накачки;
35 магнитная пробка (электромагнитных катушек 9 и 10);
8 индукционная катушка;
36 индукционное магнитное поле;
37 "коническая" электронная оболочка;
7 кольцевой катод;
38 индуцированное магнитное поле (кольцевого катода 7);
10 электромагнитная катушка магнитной ловушки;
39 электронная оболочка;
40 ускоренный поток газа (пара или других химически активных частиц);
41 кольцевая положительно-заряженная кластерная оболочка;
15 электромагнитная катушка магнитной ловушки;
18 обмотка ускорителя;
42 расширяющийся вихревой поток отработанного газа (пара или других химически активных частиц);
43 коническая конфигурация силовых линий магнитного поля;
44 магнитная пробка (электромагнитных катушек 14 и 15);
14 электромагнитная катушка накачки;
45 магнитная катушка;
46 сферическая положительно заряженная кластерная оболочка с примесью фрактальных структур, переходящих во внешнюю аэрогельную оболочку;
47 центральная веретенообразная оболочка с положительно заряженной кластерной плазмой;
20 металлический экран.

На фиг. 5 и 6 продольное и экваториальное сечения синтезированного шарового плазмоида, где:
46 сферическая, положительная заряженная, кластерная оболочка с примесью фрактальных структур, переходящих во внешнюю аэрогельную оболочку;
47 центральная веретенообразная область с положительно заряженной кластерной плазмой;
41 кольцевая положительно заряженная кластерная оболочка;
39 электронная оболочка.

На фиг. 7 продольное сечение шарового плазмоида по фиг. 5, фиг. 6 схематически отражающее возникновение устойчивого магнитного подвеса его внутренних оболочек, где:
46 сферическая положительно заряженная кластерная оболочка с примесью фрактальных структур, переходящих во внешнюю аэрогельную оболочку;
47 центральная веретенообразная область с положительно заряженной кластерной плазмой;
48 аномально тонкий тороидальный слой движущихся положительно заряженных кластеров (кольцевой положительно заряженной кластерной оболочки 41), электрически связанных с электронной оболочкой 39 и имеющих (в области с диаметром, равным среднему расстоянию между ними) индивидуальное магнитное поле;
49 электронная оболочка 39, в которой каждый движущийся по спиральной орбите электрон имеет (в области с диаметром, равным среднему расстоянию между ними) индивидуальное магнитное поле;
50 полоидальное магнитное поле шарового плазмоида;
51 аномально тонкий тороидальный слой движущихся положительно заряженных кластеров (сферической положительно заряженной кластерной оболочки с примесью фрактальных структур, переходящих во внешнюю аэрогельную оболочку 46 и центральной веретенообразной области с положительно заряженной кластерной плазмой 47), электрически связанных с электронной оболочкой 39 и имеющих (в области с диаметром равным среднему расстоянию между ними) индивидуальное магнитное поле;
52 полоидальное магнитное поле вращающейся кольцевой положительно заряженной кластерной оболочки 41;
53 полоидальное магнитное поле электронной оболочки 39;
54 тороидальное магнитное поле электронной оболочки 39.

На фиг. 8 рисунок отпечатка синтезированного шарового плазмоида по фиг. 5 фиг. 7 на медном экране 20 (после его образования, накачки дополнительной энергии и ускорения в синтезаторе шаровых плазмоидов фиг. 1 фиг. 4), где:
55 отпечаток части раскаленной конически инжектируемой плазмы из центральной веретенообразной области с положительно заряженной кластерной плазмой 47, сбрасываемой вследствие "веерного" рассеяния электронов с перешейка 62;
56 рассчитанные направления "веерного" рассекания электронов с перешейка 62;
57 отпечаток раскаленной сферической положительно заряженной кластерной оболочки с примесью фрактальных структур, переходящих во внешнюю аэрогельную оболочку 46;
58 общий отпечаток раскаленных кольцевой положительно заряженной кластерной оболочки 41 и центральной веретенообразной области с положительно заряженной кластерной плазмой 47;
59 светлый неокисленный кольцевой слой медной поверхности экрана 20, соответствующий части тороидального вакуумного зазора внешней части электронной оболочки 39 в продольном сечении;
60 предлагаемый способ сброса электронной оболочки 39, в момент деформации синтезированного шарового плазмоида по фиг. 5 фиг. 7 на поверхности медного экрана 20.

Фиг. 9 и 10 продольная проекция и вид сверху, соответственно, частично усеченной электронной оболочки 39, где:
61 внешняя часть с коллективно движущимися электронами по часовой стрелке вниз;
62 перешеек;
63 внутренняя часть с коллективно движущимися электронами по часовой стрелке, вверх;
64 экваториальное сечение с коллективно движущимися "по часовой стрелке" электронами;
α угол азимутального наклона орбиты электронов к экваториальной плоскости в точке а.

На фиг. 11 упрощенная модель продольного сечения синтезированного шарового плазмоида по фиг. 5-8 для проведения ориентировочного расчета энергии и времени жизни его структуры, где:
46 сферическая положительно заряженная кластерная оболочка с примесью фрактальных структур, переходящих во внешнюю аэрогельную оболочку;
47 центральная веретенообразная область с положительно заряженной кластерной плазмой;
41 кольцевая положительно заряженная кластерная оболочка;
39 электронная оболочка;
r_a радиус внешней части электронной оболочки 39, на экваторе, в точке а;
r_b радиус внешней поверхности кольцевой положительно заряженной кластерной оболочки 41, на экваторе, в точке b;
r_c радиус внутренней поверхности сферической положительно заряженной кластерной оболочки с примесью фрактальных структур, переходящих во внешнюю аэрогельную оболочку 46, на экваторе, в точке с;
r_d радиус внутренней части электронной оболочки 39, на экваторе, в точке d;
r_m радиус синтезированного шарового плазмоида по фиг. 5-8 на экваторе, в точке m.

d диаметр перешейка 62 электронной оболочки 39.

На фиг. 12 ориентировочное распределение электрического поля синтезированного шарового плазмоида по фиг. 5 фиг. 8. В экваториальной плоскости, около точек a, b, c и m на участке r>r_m-r_o (фиг. 11), как алгебраической суммы "элементарных" электрических полей трех разноименно заряженных оболочек E_s=E_a+E_b+E_c, где:
65 аномально тонкий слой положительно заряженных кластеров внешней части кольцевой положительно заряженной кластерной оболочки 41;
39 электронная оболочка;
66 аномально тонкий тороидальный слой положительно заряженных кластеров внутренней части сферической положительно заряженной кластерной оболочки с примесью фрактальных структур, переходящих во внешнюю аэрогельную оболочку 46;
E_a предполагаемое распределение "элементарного" электрического поля электронной оболочки 39, около точки а;
E_b предполагаемое распределение "элементарного" электрического поля вблизи аномально тонкого слоя 65 положительно заряженных кластеров внешней части кольцевой положительно заряженной кластерной оболочки 41, около точки b;
E_c предполагаемое распределение электрического поля, создаваемого сферической положительно заряженной кластерной оболочкой с примесью фрактальных структур, переходящих во внешнюю аэрогельную оболочку 46, около точек с и m.

Для реализации предлагаемого способа синтеза шаровых плазмоидов посредством инициации электрического разряда постоянного тока I₁₆фиг. 2 в газовой среде при нормальном атмосферном давлении в искровом промежутке между двумя металлическими электродами 7, 13 с помощью коммутатора 4, включенного в разрядный контур фиг. 1, содержащий высоковольтный конденсатор 16, заряжающийся через резистор 11 от источника электропитания 1, осуществляют путем инициирования разряда в полости адиабатической магнитной ловушки 45 типа пробкотрон с двумя магнитными пробками 35, 44, при этом, на разряд постоянного тока I₁₆, фиг. 2 накладывают импульсы накачки переменного тока I₁₂, фиг. 2 в магнитном поле ловушки 45, изменяющимися с частотой накачки, после чего шаровой плазмоид фиг. 5-8 выбрасывают из магнитной ловушки 45 через одну из ее магнитных пробок путем усиления магнитного поля 35, создаваемого электромагнитными катушками со стороны катода, выполненного в форме кольца 7 и размещенного перед магнитной пробкой 35 ловушки 45, и направляют в коническую камеру ускорителя 32, в которой создают коническую конфигурацию силовых линий магнитного поля 43 импульсным током I₁₇, фиг. 2, протекающим через обмотку ускорителя 18, а затем локализуют ускоренный шаровой плазмоид фиг. 5-8 с помощью заземленного металлического экрана 20.

Вместе с тем, для оптимизации режимов образования, накачки энергией и возможности направленного выброса шарового плазмоида фиг. 5-8 на металлический экран 20 используют устройство с каркасом 19, изготовленным из диэлектрического материала, со сферической камерой диаметром D_o 30, соединенной в направлении оси симметрии каркаса 19 через катодный перешеек диаметром 0,11^. D_o и длиной 0,03 ^.D_о 26 с конической камерой катодного ускорителя, выполненной с образующим углом 30 и длиной 0,47 ^.D_o 24, а с диаметрально противоположной стороны, соединенной через выходной перешеек диаметром 0,29 ^. D_o и длиной 0,14 ^.D_o 31 с конической камерой ускорителя, выполненной с образующим углом 10^о и длиной 2,5 ^. D_o 32, при этом газовую среду в искровом промежутке фиг. 4 создают подачей ускоренного потока газа 40 в направлении против часовой стрелки относительно направления от катодного перешейка 26 к выходному перешейку 31 сферической камеры 30 через тангенциальный патрубок диаметром0,17^.D_o27кольцевойтангециально-вихревой камеры диаметром 1,7 ^.D_o и шириной 0,17 ^. D_o 29, расположенной соосно сферической камере 30 в плоскости ее центра фиг. 4, причем для инициации разряда используют стержневой анод 13, установленный с диаметрально противоположной стороны относительно тангенциального патрубка 27 на расстоянии 0,55 ^. D_o от центра сферической камеры 30 и подключенный к заземленному резистору 11 и положительной обкладке высоковольтного конденсатора 16, отрицательная обкладка которого подключена через две согласно и последовательно соединенные электромагнитные катушки магнитной ловушки 10, 15 и через индукционную катушку 8 катодного ускорителя 21 к отрицательному высоковольтному выводу источника электропитания 1, положительный вывод которого заземлен фиг. 1, а через вторичную обмотку повышающего трансформатора 5 и дроссель 6 соединяют с плоским кольцевым катодом с внутренним диаметром 0,57 ^. D_o 7, соосно установленным в основании конической камеры катодного ускорителя 24, при этом в кольцевом катоде 7 индуцируют ток с помощью индукционной катушки 8, уложенной в прямоугольном кольцевом пазе диаметром 1,2 ^. D_o и шириной 0,43 ^. D_o, выполненном в каркасе устройства 19, причем середину паза смещают от плоскости кольцевого катода 7 в направлении от катодного перешейка 26 к кольцевому катоду 7 на расстояние 0,21 ^. D_o фиг. 3, магнитное поле магнитной катушки 45 создают с помощью симметрично расположенных электромагнитных катушек 9, 10 и 14, 15, утопленных порознь в два паза, выполненных в каркасе устройства 19, шириной 0,46 ^. D_o, обращенных коническими основаниями с образующими углами 45^о к сферической камере 30 и удаленных от ее внутренней поверхности на расстоянии 0,14 ^. D_o фиг. 3, а расстояние между коническими стенками пазов с образующими углами 60^овыбирают равным 0,57 ^. D_o фиг. 3, кроме того, для инициации разряда используют соединенный с источником электропитания 1 пусковой конденсатор 2, разнополярные выводы которого соединены с первичной обмоткой повышающего трансформатора 5 через последовательно включенный в их цепь коммутатор 4, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления 3, а управляющий вход источника электропитания 1 с первым выходом блока управления 3, связанного по цепи синхронизации с генератором импульсов тока накачки 12 и формирователем ускоряющего импульса 17, выходы которого подключены к обмотке ускорителя 18, уложенной вокруг конической камеры ускорителя 32, которая выполнена с толщиной стенок 0,14^. D_o в паз шириной 1,8 ^. D_o и наименьшим диаметром 0,6 D_o фиг. 3, а импульсы накачки переменного тока I₁₂, фиг. 2 создают с помощью согласно и последовательно соединенных электромагнитных катушек накачки 9, 14, подключенных к генератору импульсов тока накачки 12 и уложенных порознь в пазы, в которых размещены катушки 10, 15, создающие поле магнитной ловушки 45.

Заявляемый способ синтеза шаровых плазмоидов реализован с помощью разборного фторопластового каркаса устройства 19 с диаметром сферической камеры 30-D_o= 35 мм. При этом катодный ускоритель 21 и магнитный ускоритель 33 скрепляют посредством винтового соединения с симметричной тангенциально-вихревой втулкой 28, обеспечивающей, благодаря ступенчатой Е-образной форме двухсторонней кольцевой контактной поверхности, требуемую изоляцию электромагнитных катушек накачки 9, 14 от стержневого анода 13. Кроме того, между данными тремя элементами 21, 33 и 28 образуется кольцевая тангенциально-вихревая камера 29, в которую, посредством винтового соединения с тангенциально-вихревой втулкой 28, вводят молибденовый радиально-подающийся стержневой анод 13 с коническим закругленным наконечником. Причем с диаметрально противоположной стороны тангенциально-вихревая втулка 28 имеет винтовое соединение с тангенциальным патрубком 27, для ускорения подачи газа 40. Вместе с тем, требуемую изоляцию стержневого анода 13 (с разъемной стороны) электромагнитных катушек накачки 9, 14 обеспечивают винтовым соединением анодного патрубка 34 с тангенциально-вихревой втулкой 28.

Требуемую изоляцию титанового кольцевого катода 7 от индукционной катушки 8 обеспечивают катодной заглушкой 25, имеющей винтовое соединение с катодным ускорителем 21 и ступенчатую Е-образную форму кольцевой контактной поверхности. При этом изоляцию индукционной катушки 8 от однополюсного разъема 23, соединенного с помощью двух перемычек 22 с кольцевым катодом 7, обеспечивают глубокой "канавкой" в катодной заглушке 25, со стороны однополюсного разъема 23.

Запуск реализованной установки синтеза шаровых плазмоидов фиг. 1-4 осуществляют следующим образом.

По команде, поступающей с первого выхода блока управления 3 на управляющий вход источника электропитания 1, происходит заряд пускового конденсатора 2 (200 мкФ х 2 КВ) до номинального напряжения 1 КВ и высоковольтного конденсатора 16 (120 мкФ х 15 КВ) до номинального напряжения 10 КВ. Через тангенциальный патрубок 27 в кольцевую тангенциально-вихревую камеру 29 подают ускоренный поток газа 40, закручивающийся вокруг оси симметрии против часовой стрелки относительно направления катодный перешеек 26 выходной перешеек 31. Затем по команде, поступающей со второго выхода блока управления 3 на управляющий вход плазменного коммутатора 4, последний замыкают и происходит апериодический разряд переменного тока пускового конденсатора 2 через первичную обмотку повышающего трансформатора 5. Повышенное в 84 раза напряжение со вторичной обмотки повышающего трансформатора 5 через дроссель 6 прикладывают к кольцевому катоду 7 и через индукционную катушку 8, электромагнитной катушки магнитной ловушки 10, 15 и высоковольтный конденсатор 16 к стержневому аноду 13, вызывая между ними разряд импульсов запуска I₅, фиг. 2 в газовой среде, заполняющей коническую катодного ускорителя 24, катодный перешеек 26 и сферическую камеру 30.

Разряд импульсов тока импульсов запуска I₅, фиг. 2, вызванный замыканием коммутатора 4, инициирует разряд постоянного тока I₁₆, фиг. 2 высоковольтного конденсатора 16, происходящий по той же цепи. Данные разряды способствуют эффективному образованию в межэлектродном пространстве кластерных ионов (И. П. Стаханов. Кластерная плазма и излучение шаровой молнии, ЖТФ, 1976, т. 46.1.82-89) с примесью эрозионных фрактальных кластеров (Б.М. Смирнов. Аэрогели, УФН, 1987, т. 152, 1, 133-157).

В связи с вращение кластерной плазмы в межэлектродном пространстве фиг. 1, фиг. 3, фиг. 4, центробежные силы выносят более "массивные" фрактальные кластеры на периферию внутренних камер устройства с каркасом 19, с образованием пористой и изолирующей аэрогельной оболочки.

Таким образом, внутри сферической камеры 30 возникает вихревая и электропроводная сферическая положительно заряженная кластерная оболочка с примесью фрактальных структур, переходящих во внешнюю аэрогельную оболочку 46, имеющую тот же электрический потенциал, что и стержневой анод 13.

При нарастании разрядного тока I_p межэлектродного пространства, когда dI_p/d_t>0, "легковесная" и замагниченная положительно заряженная кластерная плазма, вращающаяся в конической камере катодного ускорителя 24, под действием сильного и неоднородного магнитного поля магнитной пробки 35, сжимается, образуя около стенок конической камеры катодного ускорителя 24 "коническую" вакуумную щель, внутри которой в период, когда dI_p/d_t<0, локализуется "коническая" электронная оболочка 37, инжектируемая кольцевым катодом 7. Индукционное магнитное поле 36 индукционной катушки 8 наводит в кольцевом катоде 7 индуцированный ток с полоидальным индуцированным магнитным полем 38 вокруг него в противофазе с разрядным током I_p. В конической камере 24 силы Лоренца закручивают электронные токи в поперечном индуцированном магнитом поле 38 против часовой стрелки относительно направления катодный перешеек 26 выходной перешеек 31. Магнитосопротивление индуцированного магнитного поля 38 увеличивает длину пути электронных токов и равномерно рассеивает их вдоль всей разрядной кромки кольцевого катода 7, что многократно уменьшает его эрозию и образование фрактальных кластеров в конической камере катодного ускорителя 24. Благодаря вращению положительно заряженной кластерной плазмы и "конической" электронной оболочки 37 в одном направлении, между ними в периоды ослабления поля магнитной пробки 35, когда dI_p/d_t<0, индуцируется коническое магнитное поле, препятствующее их рекомбинации, то есть образуется магнитный подвес "конической" электронной оболочки 37.

После пролета катодного перешейка 26, электроны "конической" электронной оболочки 37, вращаясь и увеличивая радиусы траекторий, сферически рассеиваются внутри электропроводной сферической положительно заряженной кластерной оболочки с примесью фрактальных структур, переходящих во внешнюю аэрогельную оболочку 46. Однако под действием импульсов запуска I₅, фиг. 2 в течение ≈ 0,7 мс фиг. 2 в межэлектродном пространстве периодически изменяется полярность электрического поля с синхронным усилением поля магнитной ловушки 45, что приводит к периодическому сокращению размеров области рассекания электронов и переводу части электронов на более низкие круговые орбиты, при изменении направления движения электронов вдоль оси симметрии сферической камеры 30, фиг. 4.

В результате, в центре сферической камеры 30 образуется зародышевая веретенообразная электронная оболочка 39, фиг. 4 с захваченной внутри нее кольцевой положительно заряженной кластерной оболочки 41, периодически соединяющаяся через катодный перешеек 26 с периодически восстанавливающейся "конической" электронной оболочкой 37. С наружной стороны зародышевая веретенообразная электронная оболочка 39 охватывается сферической положительно заряженной оболочкой с примесью фрактальных структур, переходящих во внешнюю аэрогельную оболочку 46, а изнутри со стороны выходного перешейка 31 переходит в центральную веретенообразную область с положительно заряженной кластерной плазмой 47, соединяющейся вдоль оси симметрии катодного перешейка 26 через плазменную перемычку с отрицательно заряженной кластерной плазмой конической камеры катодного ускорителя 24. Благодаря плазменной перемычке фиг. 4 положительно заряженная кластерная плазма центральной веретенообразной области 47, под действием "постоянного" электрического поля высоковольтного конденсатора 16 дрейфует в сторону кольцевого катода 7. При этом, электронная оболочка 39, с индуцированным в ней тороидальным магнитным полем 54 электронной оболочки 39, вращается в тороидальном вакуумном зазоре 59 в устойчивом магнитном подвесе фиг. 7, между двумя инверсными магнитными полями полоидальным магнитным полем 52 вращающейся кольцевой положительно заряженной кластерной оболочки 41 и полоидальным магнитным полем 53 электронной оболочки 39.

Тороидальный вакуумный зазор 59 электронной оболочки 39 возникает вследствие ионизации электронами газовых частиц и выталкивании их оттуда образующимися и релаксирующими полями устойчивого магнитного подвеса фиг. 7.

После образования электронной оболочки 39 и поступления по цепи синхронизации команды с блока управления 3, генератор импульсов тока накачки 12 через ≈0,7 мс генерирует пачку однополярных прямоугольных импульсов накачки переменного тока I₁₂, фиг. 2, подающихся на электромагнитные катушки накачки 9, 14. Периодическое усиление поля магнитных пробок 35, 44 в релаксирующей с частотой накачки фиг. 2 магнитной ловушке 45 вызывает синхронное сокращение синтезируемого шарового плазмоида фиг. 4, посредством уменьшения объема и усиления полоидального магнитного поля шарового плазмоида 50. Кроме того данный процесс сопровождается периодическим усилением полоидального магнитного поля 52 вращающейся кольцевой положительно заряженной кластерной оболочки 41, а также полоидального 53 и тороидального 54 магнитных полей электронной оболочки 39. Тогда, при скачкообразном усилении магнитных полей устойчивого магнитного подвеса фиг. 7 в синтезируемом шаровом плазмоиде фиг. 4 в моменты положительных перепадов импульсов накачки I_12, фиг. 20, то есть когда dI₁₂/d_t>0, в соответствии с законом электромагнитной индукции rotE=-dB/dt происходит дискретное приращение скорости и кинетической энергии электронов электронной оболочки 39. При этом усиливающиеся индукционное магнитное поле 36 и поле магнитной пробки 35 отсекают "коническую" электронную оболочку 37, полностью локализуя разрядный ток I_p в кластерную плазму конической камеры катодного ускорителя 24 и через катодный перешеек 26 непосредственно в сферическую положительно заряженную кластерную плазму с примесью фрактальных структур, переходящих во внешнюю аэрогельную оболочку 46. В моменты же отрицательных перепадов импульсов накачки переменного тока I₁₂, фиг. 2, когда dI₁₂/dt<0, происходит восстановление "конической" электронной оболочки 37 и соединение ее с увеличивающей свои размеры электронной оболочкой 39 релаксирующего шарового плазмоида фиг. 4. В интервалах между импульсами накачки I₁₂, фиг. 2 синтезируемый шаровой плазмоид фиг. 4, удерживаемый в магнитной ловушке 45, восстанавливает свои размеры с приращением, соответствующим приращением индукции внешнего полоидального магнитного поля шарового плазмоида 50. Вместе с тем, электронная оболочка 39, увеличивая свои размеры при усилении разряда постоянного тока I₁₆, фиг. 2 в интервале 2 мс, фиг. 2, дискретно увеличивает отрицательный заряд.

В момент наибольшего сжатия синтезируемого шарового плазмоида фиг. 4, 2 мс, при максимальной амплитуде разряда постоянного тока I₁₆, фиг. 2, после накачки его дополнительной энергией, синтезируемый шаровой плазмоид фиг. 4, посредством усиления поля магнитной пробки 35 (выталкивающим импульсом тока I₉, фиг. 2, поступающим с генератора накачки 12 на обмотку накачки 9), выбрасывают через противоположную магнитную пробку 44 в коническую камеру ускорителя 32.

Через ≈ 5 мс, после того, как синтезируемый шаровой плазмоид фиг. 4 полностью перейдет в коническую камеру ускорителя 32, с формирователя ускоряющего импульса 17 на ускоряющую обмотку 18 поступает импульс тока I₁₇ фиг. 2 и синтезируемый шаровой плазмоид фиг. 4, ускоряясь в магнитном поле с конической конфигурацией силовых линий 43 обмотки ускорителя 18, локализуют на заземленный металлический экран 20.

Размеры, структуру, энергию, температуру, химический состав и другие параметры синтезированных шаровых плазмоидов фиг. 4-7 достаточно просто определяются изучением их отпечатков фиг. 8 на металлическом экране 20, установленном на определенном расстоянии от синтезатора шаровых плазмоидов фиг. 1, фиг. 4.

На фиг. 8 приведен отпечаток синтезированного шарового плазмоида фиг. 5-7 на медном экране 20, установленном на расстоянии ≈ 1,1 м, после образования его в ускоренном потоке аргона 40, накачки энергией в течение ≈1 мс прямоугольными импульсами накачки переменного тока I₂, фиг. 2 с частотой ≈ 10 кГц и ускорения в синтезаторе шаровых плазмоидов фиг. 1-4.

Отпечаток синтезированного шарового плазмоида фиг. 5 фиг. 8 на медном экране 20 подтверждает наличие у него соответствующих раскаленных ( ≈ 700^оС) оболочек: 57 сферической положительно заряженной кластерной оболочки с примесью фрактальных структур, переходящих во внешнюю аэрогельную оболочку 46, 58 кольцевой положительно заряженной кластерной оболочки 41 и центральной ветеренообразной области положительно заряженной кластерной плазмы 47, а также указывает на наличие у синтезированного шарового плазмоида фиг. 5-7 тороидального вакуумного зазора 59, в котором локализуется электронная оболочка 39. Кроме того, около отпечатка синтезированного шарового плазмоида фиг. 8 выявлен отпечаток 55 части раскаленной конически инжектируемой положительно заряженной кластерной плазмы из центральной веретенообразной области 47, сбрасываемой вследствие "веерного" рассекания электронов 56 с перешейка 62 по предлагаемому способу сброса 60 электронной оболочки 39 в момент деформации синтезированного шарового плазмоида фиг. 5-8 на поверхности медного экрана 20. Это свидетельствует о высокой энергии электронов электронной оболочки 39 W_e ≈ 0,25 МэВ, соответствующей релятивистской скорости, которую они приобрели в процессе образования зародышевой веретенообразной электронной оболочки 39 и накачки дополнительной энергии в течение 1 мс, фиг. 2, фиг. 4.

Локализация синтезированного шарового плазмоида фиг. 5-7 на медный экран 20 сопровождалась адсорбцией эрозионных компонентов аэрогельной оболочки 46 на поверхности медного экрана 20 на глубину ≈30 мкм, с образованием ряда окислов CuO, TiO₂, MoO₃ и других, окрасивших полученный отпечаток фиг. 8 в коричневый цвет.

На фиг. 11 приведена упрощенная модель продольного сечения синтезированного шарового плазмоида фиг. 5-8 для проведения ориентированного расчета энергии и времени жизни его структуры, где r_a≈3,5 мм радиус внешней части электронной оболочки 39, на экваторе, в точке а; r_o ≈ 3,4 мм радиус внешней "поверхности" кольцевой положительно заряженной кластерной оболочки 41, на экваторе, в точке b; r_c ≈ 3,7 мм радиус внутренней поверхности сферической положительно заряженной кластерной оболочки с примесью фрактальных структур, переходящих во внешнюю аэрогельную оболочку 46, на экваторе, в точке с; r_d ≈ 2,3 мм радиус внутренней части электронной оболочки 39, на экваторе, в точке d; r_m ≈ 4,5 мм радиус синтезированного шарового плазмоида фиг. 5-8 на экваторе, в точке m и d ≈ 1,2 мм диаметр перешейка 62 электронной оболочки 39.

Расчет энергии магнитного поля и времени жизни электронной оболочки 39 проводился по методике, разработанной применительно к "монослою релятивистских электронов и оболочки положительных ионов в тороидальном слое".

Энергия магнитного поля электронной оболочки 39 Q_m включает в себя энергию полоидального 53 Q_n и тороидального 54 Q_т магнитных полей. Но, так как энергия магнитного поля пропорциональна квадрату тока, то отношение λ=Q_n/Q_т= (tg α )^-2, где α ≈15^о угол азимутального наклона орбиты электронов к экваториальной плоскости в точке а, фиг. 9, отсюда Q_m=(1+ λ ) Q_т≈ 15 ˙ Q_т. При этом, энергия Q_т тороидального магнитного поля электронной оболочки 39 определяется с учетом равенства магнитных давлений: p_m тороидального магнитного поля электронной оболочки 39 и p_a атмосферного давления, откуда Q_т ≈ v_т˙ p_a, где v_т≈(4/3) ˙ π (r³_a r³_d) (3/4) ˙ π ˙ d³ (r_a-r_d) объем замкнутой полости электронной оболочки 39. Тогда, энергия магнитного поля электронной оболочки 39 синтезированного шарового плазмоида фиг. 5-8 Q_m≈ 0,18 Дж.

Количество электронов в электронной оболочке 39 определяется из условия K= L ˙ L_Σ ˙ /(e ˙ c), где L≈π ˙ (r_a+r_d)-d ≈ 16 мм длина профильного контура электронной оболочки 39, фиг. 11; e заряд электрона; с скорость света в вакууме; L_Σ=2 ˙ π ˙ R ˙ (2 p_m/ μ_o)^1/2/sinα суммарный полоидальный ток электронной оболочки 39, при этом, здесь R ≈ (r_a+r_d)/2 средний радиус круговых орбит электронной оболочки 39; μ_o магнитная постоянная. После вычислений К≈ 10¹². Тогда, кинетическая энергия электронов электронной оболочки 39 W_к=K ˙ W_e= 0,04 [Дж] а поверхностная концентрация электронов в электронной оболочке 39 n_s K/S_e, где S_e ≈ 4 ˙π ˙ (r²_a+r²_d) π ˙ d² суммарная поверхность электронной оболочки 39, откуда n_s ≈ 5 ^.10¹¹ см. С учетом этого, индукция тороидального магнитного поля электронной оболочки 39 Вт 20 КГс, а индукция полоидального магнитного поля 50 синтезированного шарового плазмоида фиг. 5-8, в его центре В_о ≈170 КГс. Напряженность же "элементарного" электрического поля E_am электронной оболочки 39, на экваторе, в точке а, фиг. 10-12, без учета алгебраической суммы "элементарных" электрических полей трех разноименно-заряженных оболочек E_s= E_a+E_b+E_c, фиг. 12, E_am ≈n_s^. e/(2 ^. ε_o)≈ 450 [КВ/см]
Кроме того, концентрация пар кластерных ионов в положительно заряженных кластерных оболочках синтезированного шарового плазмоида фиг. 5 фиг. 8, окружающих электронную оболочку 39 n_i ≈ n_s^3/2 ≈3,5 ^.10¹⁷[см^-3] которая соответствует оценке Стаханова ≈5 ^. 10¹⁸ см^-3 для "кластерной гидратированной оболочки" при энергосодержании p_кл=7-8 Дж/см^-3 (И.П.Стаханова. Кластерная плазма и излучение шаровой молнии, ЖТФ, 1976, т. 46.1.82-89). Объем синтезированного шарового плазмидов фиг. 5- фиг. 8, фиг. 11, v_ш ≈(4/3)^. π ˙ r³_m 0,4 [см^-3] в связи с чем, суммарная энергия кластерных положительно заряженных оболочек синтезированного шарового плазмоида фиг. 5 фиг. 8 σ_кл ≈ p_кл^. v_ш≈2,8 [Дж] В результате, суммарная энергия синтезированного шарового плазмоида фиг. 5 фиг. 8, фиг. 11, с учетом всех вычисленных энергий Ω_ш= Q_m+W_к+σ_кл 3 [Дж]
Время жизни электронной оболочки 39, без учета рекомбинационных процессов с окружающими положительно заряженными кластерными оболочками синтезированного шарового плазмоида фиг. 5-8, зависит от мощности синхротронного излучения N=(e^2.c^. K/(σ ^. π ˙ ε_o^. R²))^. (W_e/W_o)⁴ ≈3 ^.10^-4 [Вт] (здесь ε_o диэлектрическая постоянная, W_o=m_e^.c² ≈ 0,51 [МэВ] энергия покоя электронов, m масса покоя электрона) и энергии магнитного поля Q_m τ_s ≈ Q_m/N ≈10 мин. При этом, диэлектрическая аэрогельная оболочка сферической положительно заряженной кластерной оболочки с примесью фрактальных структур 46 уменьшает диссипацию внутренней структуры синтезированного шарового плазмоида фиг. 5 фиг. 8, увеличивая время его жизни.

Способность синтезированных шаровых плазмоидов фиг. 5 фиг. 7 сохранять продолжительное время энергию тороидального магнитного поля 54 и полоидального магнитного поля 53 электронной оболочки 39, представляющего основную часть энергии полоидального магнитного поля шарового плазмоида 50, может быть широко использоваться в технических целях. Например, для накачки в синтезируемый шаровой плазмоид фиг. 4 дополнительной энергии, с заданным временем жизни шарового плазмоида фиг. 5-7 и требуемой индукцией полоидального магнитного поля шарового плазмоида 50, путем варьирования электрическими параметрами принципиальной электрической схемы установки синтеза шаровых плазмоидов фиг. 1, фиг. 2 или габаритными размерами с адекватно выбранными материалами элементов конструкции синтезатора шаровых плазмоидов фиг. 3, что может быть использовано при разработке энергоемких и экономичных источников питания, генераторов сильного магнитного поля и других. Кроме того, предложенный способ синтеза шаровых плазмоидов, посредством накачки дополнительной энергии с возможностью изучения их структуры фиг. 1-12, технически прост и экономичен.

Использование: физика плазмы. Физика газового разряда, источники электрической энергии, генераторы сильного магнитного поля. Сущность изобретения: шаровые плазмоиды получают при инициации искрового разряда в газовой среде при атмосферном давлении в адиабатической магнитной ловушке типа пробкотрон. После формирования шарового плазмоида его выбрасывают из магнитной ловушки путем усиления магнитного поля в одной из магнитных пробок ловушки и направляют в коническую камеру ускорителя, в которой создают коническую конфигурацию силовых линий поля импульсным током, протекающим через обмотку ускорителя. Ускоренный шаровой плазмоид локализуют с помощью заземленного металлического экрана. Способ позволяет дополнительно увеличить энергию плазмоида и обеспечить возможность его детального изучения. 1 з. п. ф-лы, 12 ил.

1. СПОСОБ СИНТЕЗА ШАРОВЫХ ПЛАЗМОИДОВ, заключающийся в инициации электрического разряда постоянного тока в газовой среде при нормальном атмосферном давлении в искровом промежутке между двумя металлическими электродами с помощью коммутатора, включенного в разрядный контур, содержащий высоковольтный конденсатор, который заряжают через резистор от источника питания, отличающийся тем, что разряд инициируют в полости адиабатической магнитной ловушки типа пробкотрон с двумя магнитными пробками, при этом на разряд постоянного тока накладывают импульсы накачки переменного тока в магнитном поле ловушки, изменяющемся с частотой накачки, после чего шаровой плазмоид выбрасывают из магнитной ловушки через одну из ее магнитных пробок путем усиления магнитного поля, создаваемого электромагнитными катушками магнитной ловушки, расположенными со стороны катода, выполненного в форме кольца и размещенного перед магнитной пробкой ловушки, и направляют в коническую камеру ускорителя, в которой создают коническую конфигурацию силовых линий магнитного поля импульсным током, протекающим через обмотку ускорителя, а затем локализуют ускоренный шаровой плазмоид с помощью заземленного металлического экрана. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для синтеза шаровых плазмоидов используют устройство с каркасом, изготовленным из диэлектрического материала, со сферической камерой диаметром D₀, соединенной в направлении оси симметрии каркаса через катодный перешеек диаметром 0,11 D₀ и длиной 0,03 D₀ с конической камерой катодного ускорителя, выполненной с образующим углом 30^o и длиной 0,47 D₀, а с диаметрально противоположной стороны соединенной через выходной перешеек диаметром 0,29 D₀ и длиной 0,14 D₀ с конической камерой ускорителя, выполненной с образующим углом 10^o и длиной 2,5 D₀, при этом газовую среду в искровом промежутке создают подачей ускоренного потока газа в направлении против часовой стрелки относительно направления от катодного перешейка к выходному перешейку сферической камеры через тангенциальный патрубок диаметром 0,17 D₀ кольцевой тангенциально-вихревой камеры диаметром 1,7 D₀ и шириной 0,17 D₀, расположенной соосно сферической камере в плоскости ее центра, причем для инициации разряда используют стержневой анод, установленный с диаметрально противоположной стороны относительно тангенциального патрубка на расстоянии 0,55 D₀ от центра сферической камеры и подключенный к заземленному резистору и положительной обкладке высоковольтного конденсатора, отрицательная обкладка которого подключена через две согласно и последовательно соединенные электромагнитные катушки магнитной ловушки и через индукционную катушку катодного ускорителя к отрицательному высоковольтному выводу источника электропитания, положительный высоковольтный вывод которого заземлен, и плоский кольцевой катод с внутренним диаметром 0,57 D₀, соосно установленный в основании конической камеры катодного ускорителя и соединенный через вторичную обмотку повышающего трансформатора и дроссель с отрицательным высоковольтным выводом источника электропитания, при этом в кольцевом катоде индуцируют ток с помощью индукционной катушки, уложенной в прямоугольном кольцевом пазе диаметром 1,2 D₀ и шириной 0,43 D₀, выполненном в каркасе устройства, причем середину паза смещают от плоскости кольцевого катода в направлении от катодного перешейка к кольцевому катоду на расстояние 0,21 D₀, магнитное поле магнитной ловушки создают с помощью симметрично расположенных электромагнитных катушек, уложенных порознь в два паза, выполненных в каркасе устройства, шириной 0,46 D₀, обращенных коническими основаниями с образующими углами 45^o к сферической камере и удаленных от ее внутренней поверхности на расстояние 0,14 D₀, а расстояние между коническими стенками пазов с образующими углами 60^o выбирают равным 0,57 D₀, кроме того, для инициации разряда используют соединенный с источником электропитания пусковой конденсатор, разнополярные выводы которого соединены с первичной обмоткой повышающего трансформатора через последовательно включенный в их цепь коммутатор, управляющий вход которого соединен с вторым выходом блока управления, а управляющий вход которого соединен с вторым выходом блока управления, а управляющий вход источника электропитания с первым выходом блока управления, связанного по цепи синхронизации с генератором импульсов тока накачки и формирователем ускоряющего импульса, выходы которого подключены к обмотке ускорителя, уложенной вокруг камеры ускорителя, которая выполнена с толщиной стенок 0,14 D₀, в паз шириной 1,8 D₀ и меньшим диаметром 0,6 D₀, а импульсы накачки переменного тока создают с помощью согласно и последовательно соединенных электромагнитных катушек накачки, подключенных к генератору импульсов тока накачки и уложенных порознь в пазы, в которых размещены катушки, создающие поле магнитной ловушки.