Способ кумуляции плазмы и устройство для его осуществления Советский патент 1980 года по МПК H05H1/00 

, Изобретение относится к способам и устройствам получения высокотемпературной плазмы повышенной плотности и может быть применено в области им пульсной плазменной техники, занимающейся вопросами концентрации энергии в небольшом объеме. Известен импульсный способ кумуляции плазмы путем пропускания быстронарастающего тока большой амплитуды (до 10 А) через цилиндр с рабочим газом при начальном форвакуумном давлении ( Z -пянч.) Щ . Рабочий ток при этом проходит в тонком поверхностном слое цилиндрического газового столб.а, ионизует его, образующееся азимутальное магнитное поле, взаимодействуя с током, создает направленное к оси магнитное давление. По мере роста разрядного тока возникает сходящаяся к центру цилиндрическая ударная волна сжатия, толкаемая магнитным порш нем, в виде цилиндрического скин-слоя с током. При движении К оси ионизуется и захватывается в скин- слой все большее количество нейтрального газа:, одновременно из-за уменьшения радиуса разряда и увеличения тока скорость схожде, ния возрастает. В момент с шопывания вблизи оси образуется цилийдрическая область горячей плотной плазмы . Однако такЪй способ кумуляции имеет малое время существования плазмы в сжатом срстойнии, ограниченное возникновением магнитогидрЪдинамических не- устойчивостей. Известен также способ кумулрядии плазмы путем инерционного цилиндрически симметричного сжатия иод действием газодинамического напора и магнитного давления от протекающего разрядного тока 2.J.. При этом токовая оболочка в своем движений к торцу центрального электрода ионизует нейтральный газ, частично он захватывается частью оболочки, ближайшей к поверхности центрального электрода, частично выталкивается радиально на

fcHMaiV-.:.-. -ii,.- 36 ружу к внутренней поверхности внешнего электрода. Мгновенная масса токового слоя нарастает почти линейно во времени и пространстве, и ко времени выхода обо« лрчки с током на торец центрального электрода сходящаяся ее часть может иметь значительную массовую плотность. В результате гидродинамического сжатия на оси достигаются значительные плотности и температуры дейтериевой плазмы сопровождающиеся нейтронным излучением Но в таком способе мал получаемый обтбем плазмы в состоянии и непродолжйтельно время жизни сжатой плазмы. Целью изобретения является увеличе- нйе длительности кумуляции и протяженности области сжимаемой плазмы. Поставленная цель достигается тем, что формируют по крайней мере две спутные коаксиальные струи с максимально допустимыми разрядными токами, определяемыми эрозионной стойкостью электрода, пропускают одну струю внутри другой так, чтобы, совпадали их передние фронты в пределах толщин скин-слоев. Способ может быть осуществлен устройством, состоящим из коаксиадьно рас- п;блЬ кенных електродЪв: центрального цилиндрического и охватывающего его профилированного, состоящего. из конической токоподБОДящей и цилиндрическойускоряющей частей. .%... .. Отличие устройства, позволяющего осуществить способ, состоит втХ)м что применен по крайней мере один до- . полнительный профилированный электрод с цилиндрической ускоряющей частью, охватьшающей цилиндрическую часть про- филированного электрода устройства и соосной ей. На чертеже показано предлагаемое .устройство. Устройство состоит из коаксиальных электродов 1 и 2, причем прсх|)илйрован- ный электрод 2 состоит на токопрдводя щей 3 и ускоряющей 4 частей. Дополни- тельные электроды 5 и 6 установлены соосно электродам устройства, а их ускоряющие Цилиндрические части охватывают ускоряющую часть профилированного электрода устройства. . Устройство работает следующим обра- .с цепью осуществления кумуляции плаз мы формируют по крайней мере две а в данном примере конкретного выполнения три, плазменные струи с током. Для этого межэлектродное пространство электро814дов заполняют рабочим газом ямпульсно или стационар1 0, включают стартовые разрядники 7, 8, 9, в заданной последовательности разряжают конденсаторные батареи 1О, 11, 12 предварительно заряженные до требуемых рабочих напряжений, на соответствующие пары электродов 1 и 2, 2 и 5, 5 и 6. В областях межэлектродного пространства, ограниченных цилиндрическими поверхностями, возникают токи { , и | . Сначала они текут в отдельных каналах, затем по достижении токами определенной плотности каналы сливаются, образуя сплощные плазменные оболочки с током, которые ионизуют, захватывают и ускоряют нейтральный газ. Двигаясь под действием собственного магнитного поля, оболочки, выходя за пределы электродов, становятся плазменными струями с вынесенным током. Так при выходе тока на торец центрального электрода 1 образуется плазменный шнур 13, с которого ток замыкается на внутреннюю боковую поверхность электрода 2 через оболочку с током, толщина, которой равна скин-слою. Начало кумуляции совпадает С моментом выхода .трех плазменных оболочек за торцы цилиндрических объемов, в которых они ускорялись. Синхрон- нобть взаимодействия струй обеспечивается, если скорости струй равны, а фронты их смещены в пространстве не более, чем в пределах толщин их скин-слоев. Одновременность выхода струи в зону кумуляции и одинаковые скорости их продольного движения устанавливают выбором времени включения стартовых ра рядни- ков 7, 8, 9, напряжений и током конденсаторных батарей, длин цилиндрических частей электродов, 2, 5, и 6. Когда оболочка с током покидает пределы цилиндрической части электрода 2, шнур сохраняется продолжительное время только в случае ограничения поперечного движения боковой плазмеьшой оболочки 14. Такое ограничение выполняет боковая поверхность 15 плазменной струи с током 1э . Аналогично боковая поверхность 16 препятствует поперечному расширению плазменной струи с током i , а цилиндрическая часть электрода 6 ограничивает боковое расширение струи с током 1з Другими словами, после выхода струй с токами ц , j к ц в область электрода 6 длиной i все они оказываются компактно вложенными одна в другую. Происходит кумуляция централь- ной нлааменной струи с током t ч нительными струями с токами Чтобы сжатие было наибольшим, токи в струяк в момент начала кумуляции устанавливают экспериментальными и удовлет воряющими неравенству: Ц Ц L, . Магнитное давление, создаваемое этими токами, передается на плазменный шнур центральной струи с помощью маг- нитнык полей-. Несоблюдение такик условий одновременности выхода струй в зону кумуляции приводит к вариантам взаимодействия, исключающим кумуляцию плазменного шну ра Центральной струи,- если центральная плазменная струя опережает остальные , тогда стажие приходится на ее хвост, в результате чего происходит ее ускорение по типу спринцовки; если центральная плазменная струя запаздываешь по отношению к сжимающим, то в результате их расширения в направлении оси устройства происходит кумуляция внутренней сжимаю щей струи по типу полого t -линча, причем наружная струя усиливает эффект кумуляции. Поскольку скорость кумуляции существенно больше скорости продольно- го движения, в этом варианте реализует.ся удар центральной плазменной струи в область плазменного фокуса. Поскольку токоподвод к струям ведут через металлические электроды, их токовая нагрузка не может превышать пределов механической прочности скин- слоя материала. Так,например, если ток, проходящий через центральный электрод 1 (диаметр 1 см), должен быть не более 10 А, то ток 1 через электрод 2, цилиндрическая часть которого имеет диаметр 5см, не может превышать А. Однако чем больше ток, тем больше магнитное давление и выше сжатие. Представляется возможным увеличит ток до 10. А, если применить электрод 2 диаметром 10 см. Возможны тогда два варианта. .Электрод 1 имеет тонкую стенку. При большом внутреннем диаметре ДЛЯ тока L плотность его в части межэлектродного зазора будет недостаточна для формирования сплошной Ш1аа лешой оболочки, а в отсутствие оболочки кумуляция шнура невозможна. Электрод 1 имеет толстую стенку. Взаимодействующие оболочки после выхода на его торец движутся навстречу друг другу. Столкновение носит локальный характер, сопровождается колебаниями и неустойчивостью ЯОПОПплазменного шнура, в результате чего продолжительность кумуляции .и область сжимаемой плазмы невелики. Такое качест.венное рассмотрение показывает, что для наращивания тока в струе нельзя резко увеличить диаметр соседнего электрода, а потому наиболее перспективными системами являются Мно1 оструйные. Они позволяют применять электроды с тонкими стенками, располагая их друг от друга на расстояниях, обеспечивающих возникновение в меж- электродном пространстве сплошных пла менных оболочек с токами, не разрушающими тркоподводящие электроды. Ток в каждой струе возрастает пропорционально диаметрам соответствующих токопод- водящих электродов, причем толщина стенок такова, чтобы в момент выхода струй на торец электрода они были бы удалены друг от друга на расстояние не более толщины скин-слоя. Наконец, помимо вышеописанного одновременного сжатия центральной плазменной струи с током остальными струями, применяют программированное сжатие, которое состоит в следующем; сжимающие струи выпускают из электродов поочередно, от центра к периферии, а момент начала очередной кумуляции и ее длительность регулируют, изменяя глубину погружения торца цилиндрического ёлектро- да в ближайший внешний электрод. Каждая новая струя, осуществляющая кумуляцию, сжимает центральную струю, воздействуя на боковые поверхности струй, начинающих сжатие раньше. Формула )13обретения 1. Способ кумуляции плазмы путем инерционного цилиндрически симметричного сжатия под действием газодинамического напора и магнитного давления от протекающего разрядного тока, отличающийся тем, что, с целью увеличения длйтёльнЬсти кумуляции и протяженности области сжимаемой плазмы, формируют по крайней мере две спутные коаксиальные струи с максн- мально допустимыми разрядными токами j оцределяёмымн spoaaluuiaou стойкостью электрода, цропускают .одну струю в:1утри другой так, чтобы совпадали их передние фронты в пределах толщин скин-слоев. 2. Устройство для осуществления способа по п. 1, состоящее из коаксиапьно расположенных электродов - центрально