Способ получения плазмы Советский патент 1980 года по МПК H05J1/16 

Изобретение относится к физике плазмы и проблеме управляемого термоядерного синтеза. Оно может быть использовано для получения плазмы в ловушке с комбинированными электрическими и магнитными полями (электромагнитная ловушка).

Известен способ получения плазмы в электромагнитной ловушке путем ионизации рабочего газа электронами в объеме удержания. По этому способу в область между магнитными поверхностями встречно-включенных соленоидов и отрицательно заряженными электродами, препятствующими выходу электронов через магнитные цели, инжектируют поток электронов и одновременно в эту же область направляют рабочий газ. В результате ионизации из каждой молекулы газа образуется пара электронион. Ион затягивается потенциальной ямой ,объемного заряда электронов, а медленный электрон ионизации совершает колебания в области магнитной щели между отрицательно заряженным запирающим электродом и отрицательным объемным зарядом в ловушке. Этот электрон должен быть выведен из ловушки и заменен быстрым электроном внешней инжекции. Это необходимо для нагрева образующейся в ловушке плазмы путем обогащения электронной компоненты быстрыми частицами.

Вывод медленных электронов по известному способу осуществляется путем диффузии через магнитное поле. Для сильных магнитных полей скорость диффузии мала, и либо скорость образования плазмы должна быть ограничена, либо в ловушке вблизи магнитных щелей будут накапливаться медленные электроны, препятствующие дальнейшему образованию плазмы и ее нагреву в центральной области.

Цель изобретения - повышение энергии электронов плазмы за счет эффективного удсшения медленных электронов ионизации.

Цель достигается тем, что при получении плазмы по предлагаемому способу вдоль магнитных щелей ловушки наклсщывают постоянное азимутальное электрическое поле такой величины, чтобы медленные электроны ионизации, дрейфуя в области магнитных щелей в скрещенных электрическом и магнитном полях, успели за время образования плазмы достигнуть стенки магнитной паели, а быстрые электроны за время пролета магнитной щели получили сме щение значительно меньше ларморовск го электронного радиуса. Этому усло вию удовлетворяет величина электри ческого поля Е, выбранная в соотношения10 гн/f Е 4 2 Ug/L где Е - напряженность электрического поля, В/см; Н - магнитное поле в магнитной щели, Гс; , Ug- потенциал ускорения электро нов , В, Р - полуширина магнитной щели, см; - время образования плазмы, с L - глубина магнитной щели, см. Предлагаемый способ осуществляет ся следующим образом. Е электромагнитную ловушку напускают рабочий газ и одновременно через одну из магнитных щелей ловушки инжектируют поток высокоэнергетичных электронов. Электроны накапливаются между магнитныг-ли поверхностями встречно вк1цоченных соленоидов и от рицательно заряженньсг.1и электродами ловушки, препятствующими уходу элект ронов из ловушки через магнитные щели. В результате ионизации рабочего газа образуются ионы и медленные электроны ионизации. Ионы затягивают ся в потенциальную яму объемного заряда электронов, образуя плазму. Мед ленные электроны ионизации совершают колебания в магнитных щелях между отрицательно заряженными электродами и отрицательHHuvt объемным зарядом, Если в области магнитных щелей наложить постоянное электрич.еское поле Е направленное вдоль магнитной щели и перпендикулярное к вектору магнитно.го -поля Н ловушки, то происходит дрейф электронов в срещенных электри ческом и магнитном полях в направлении стенок ма;гнитной щели со скоростью сЕ/Н. Если полуширина магнитной щели Е , то с характерным временем E/v ЕН/сЕ медленные электроны будут теряться на стенках магнитной щели. Для эффективного их удаления из ловушки это характерное время должно быть значительно меньше времени образования плазмы, откуда величина электрического.поля EH/cf Быстрые электроны пролетают магнитную щель за время t L/Vg , где L - глубина магнитной щели, Vg - скорость электрона. За время пролета они получают смещение в направлении стенки магнитной щели в результате дрейфа в скрещенных электрическом и магнитном полях d v t cEL/Vg И Если это смещение много меньше ларморовского радиуса электрона в Л агнитной щели, г mcVg/tH,To элект рон, попадая после пролета щели в неадиабатическую область нулевого магнитного поля (между магнитными поверхностями), забывает полученное возмущение и не теряется из ловушки. Отсюда можно найти ограничение на величину электрического поля сверху;Е « 2Ue/L где Ug mLlg/2g-потенциал ускорения электронов. Объединяя оба указанных выше ограничения, получают область, в которой должна лежать напряженность накладываемого электрического поля gH/ct « Е 2Ue/L или в практической системе единиц 1 ЕН/Т i Е 2Ue/L Пример . Н, Гс40 Ug ,КВ40 L , см1 е, см0,1 г, сЮ О. «Е« 8-10 На фиг. 1 схематически изображено устройство, позволяющее реализовать предлагаемый способ, продольный разрез, на фиг. 2 - пластины, создающие электрическое поле в области магнитных щелей, вид с торца. В вакуумную камеру 1 помещены встречно включенные соленоиды 2, создающие магнитное поле остроугольной геометрии с магнитными поверхностями 3 в виде гиперболоидов вращения. В область накопления электронов вводится рабочий газ через систему 4 подачи. Магнитные щели закрыты отрицательно заряженными электродами 5, препятствующими уходу электронов из ловушки. Вторичная электронная эмиссия подавляется с помощью электродов 6, имеющих более высокий отрицательный потенциал, чем на электродах 5. В ловушку с катода 7 инжектируется поток электронов, которые накапливаются ме;кду магнитными поверхностями и отрицательно заряженными электродами, образуя потенциальную яму объемного заряда электронов. В результате ионизации введенного газа электронами образуются ионы и медленные электроны. Ионы затягиваются потенциальной ямой, образуя в центре ловушки плазму. Медленные электроны ионизации совершают колебания в области магнитных щелей между отрицательно заряженными электродами и отрицательным объемным зарядом , Наложенное в области магнитных щелей электрическое поле создается пластинами 8 и 9, причем на пластины 8 прикладывается разность потенциалов порядка нескольких десятков вольт, а на каждую пару пластин 9 с целью создания электрического поля вдоль кольцевой магнитной щели подаются потенцисшн, например, в следующей последовательности. В: 0,5 10, 15, 15; 10; 5, О и т.д. В результате дрейфа в скрещенных электрическом магнитном полях медленные электрон ионизации эффективно удаляются из ласти магнитных щелей. На быстрые летные электроны действие этих пол пренебрежимо мало. Формула изобретения Способ получения плазмы путем и низации рабочего газа электронным пучком в ловушке со встречными маг нитными полями, отличающи с я тем, что, с целью повышения энергии электронов плазмы,, вдоль магнитных щелей ловушки накладывают постоянное азимутальное электрическое поле такой величины, чтобы выполнялось соотношение 1 О® Е 2Ue/L где Е - напряженность электрического поля. В/см7 Н - напряженность магнитного поля в магнитной щели, TcJ Ug - потенциал ускорения электронов, В Р - полуширина магнитной щели,см L - глубина магнитной щели, cMf - время образования плазмы, с.

.1

я

пЬо,) Л. %

/ X

«Pwf

Отмочна