устройство для получения высокотемпературной плазмы

Формула изобретения

1. Устройство для получения высокотемпературной плазмы, содержащее два расположенных соосно и разнесенных вдоль оси кольцевых электрода, подключенные к импульсному источнику питания, а также элементы инициирования плазмы, имеющие электрический контакт с электродами и установленные между ними, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит изоляторы, у каждого из которых одна из сторон выполнена в виде участка цилиндрической поверхности, количество изоляторов равно количеству элементов инициирования плазмы, причем каждый изолятор установлен между электродами таким образом, что образующая цилиндрической поверхности параллельна оси устройства, касательная к направляющей цилиндрической поверхности в ближайшей к оси точке не пересекает ось устройства, при этом все изоляторы ориентированы одинаково относительно оси, а каждый элемент инициирования плазмы размещен со стороны цилиндрической поверхности соответствующего ему изолятора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый элемент инициирования плазмы выполнен в виде проволочки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый элемент инициирования плазмы выполнен в виде пары острых выступов на электродах так, что выступ одного электрода направлен своим острием навстречу выступу другого электрода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике высокотемпературной плазмы и может быть использовано при разработке мощных источников рентгеновского излучения.

Известны устройства для получения высокотемпературной плазмы, представляющие собой систему прямолинейных металлических проволочек, концы которых размещены на двух соосно установленных и разнесенных вдоль оси кольцевых электродах так, чтобы место контакта одного конца каждой проволочки было размещено на одном кольцевом электроде, а место контакта другого конца - на другом кольцевом электроде, причем сами кольцевые электроды подключены к импульсному источнику питания (см. рис. 2 на с.1285 из [1]: Leeper R.J., Alberts Т.Е., Asay J.R. et al., "Z pinch driven inertial confinement fusion target physics research at Sandia National Laboratories", Nuclear Fusion, v. 39, No. 9Y, p.1283-1294). Принцип действия таких устройств основан на пропускании мощного импульса тока по проволочкам, приводя к их плавлению и самосжатию лайнера к оси давлением собственного магнитного поля (процесс самосжатия носит название Z-пинча). В процессе сжатия лайнера проволочки приобретают значительные скорости и кинетические энергии, и в момент их соударения друг с другом материал проволочек переходит в высокотемпературное плазменное состояние с высокой плотностью, становясь источником мощного рентгеновского излучения.

К недостаткам устройств такого типа можно отнести ненадежность и нестабильность их работы. Это обусловлено тем, что в сжимающемся плазменном столбе весьма вероятно развитие разного рода неустойчивостей, приводящих к срыву пинча.

За прототип выбрано устройство для получения высокотемпературной плазмы [2] (Deeney С, Coverdale C.A., Douglas M.R. et al., "Radiative properties of high wire number tungsten arrays with implosion times up to 250 ns". Physics of Plasmas, 1999, v. 6, No. 9, p.3576-3586), содержащее два расположенных соосно и разнесенных вдоль оси кольцевых электрода, подключенные к импульсному источнику питания, а также элементы инициирования плазмы, имеющие электрический контакт с электродами и установленные между ними.

Недостатком такого устройства является отсутствие в нем удовлетворительных средств стабилизации разного рода неустойчивостей, приводящих к срыву пинча, например различных изгибных неустойчивостей (см. рис. 80 на с.222 из [3]: Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции. М.: Физматгиз, 1961), а также неустойчивостей типа Рэлея-Тейлора (см. [4]: Roderick N.F., Hussey T.W., Fachl R.J. et al., "Two-dimensional simulation of hydromagnetic Rayleigh-Teylor instability in imploding foil plasma", Appl. Phys. Lett., 1978, v. 32, № 5, p.273-275). Высокая вероятность срыва пинча делает работу устройства ненадежной и нестабильной.

Технической задачей является создание устройства для получения высокотемпературной плазмы, в котором будет значительно уменьшена вероятность возникновения различных неустойчивостей, приводящих к срыву пинча.

Техническим результатом предлагаемого решения является уменьшение вероятности развития различных неустойчивостей пинча в устройстве для получения высокотемпературной плазмы, что должно повысить в свою очередь надежность и повторяемость работы устройства от импульса к импульсу.

Этот результат достижим за счет того, что в устройстве для получения высокотемпературной плазмы, содержащем два расположенных соосно и разнесенных вдоль оси кольцевых электрода, подключенные к импульсному источнику питания, а также элементы инициирования плазмы, имеющие электрический контакт с электродами и установленные между ними, дополнительно содержатся изоляторы, у каждого из которых одна из сторон выполнена в виде участка цилиндрической поверхности, количество изоляторов равно количеству элементов инициирования плазмы, причем каждый изолятор установлен между электродами таким образом, что образующая цилиндрической поверхности параллельна оси устройства, касательная к направляющей цилиндрической поверхности в ближайшей к оси точке не пересекает ось устройства, при этом все изоляторы ориентированы одинаково относительно оси, а каждый элемент инициирования плазмы размещен со стороны цилиндрической поверхности соответствующего ему изолятора. Каждый элемент инициирования плазмы выполнен либо в виде проволочки, либо в виде пары острых выступов на электродах так, что выступ одного электрода направлен своим острием навстречу выступу другого электрода.

Основная идея применения в устройстве изоляторов заключается в том, чтобы с их помощью придать сжимающейся цилиндрической плазменной оболочке тангенциальную скорость относительно оси сжатия. Согласно [5] (Golub T.A., Volkov N.B., Spielman R.B., Gondarenko N.A., "Multiwire screw-pinch loads for generation of terawatt x-ray radiation", Appl. Phys. Lett., 1999, Vol. 74, № 24, p. 3624-3626), вращение плазменного столба относительно оси сжатия подавляет развитие в плазменной оболочке неустойчивости типа Рэлея-Тейлора.

Вращение плазменной оболочки относительно оси достигается следующим образом. При подаче на электроды импульса напряжения или тока элементы инициирования плазмы переходят в плазменное состояние. На каждое из плазменных образований со стороны остальных действуют силы Ампера, результирующая которых направлена к оси устройства. Но изоляторы будут препятствовать плазменным образованиям двигаться прямо к оси. Основное требование к расположению изоляторов таково, что в точке отрыва плазмы от изолятора вектор ее скорости имел тангенциальную составляющую относительно оси, иными словами, чтобы касательная к поверхности изолятора в этой точке не проходила через ось. В результате образовавшийся плазменный цилиндр, сжимаясь, будет закручиваться относительно оси сжатия. Как говорилось выше, это приведет к достижению технического результата.

Так как плазменные шнуры в течение некоторого времени после их образования двигаются, прижимаясь к изоляторам, то уменьшится вероятность их изгиба. Произойдет это вследствие того, что уменьшится количество степеней свободы движения каждого из плазменных образований. В результате уменьшится вероятность возникновения в плазменном столбе изгибной неустойчивости, что также будет способствовать достижению технического результата.

На фиг.1 и 2 схематически изображены варианты устройства для получения высокотемпературной плазмы, в которых элементы инициирования разряда выполнены в виде проволочек (фиг.1) и пар острых выступов на электродах (фиг.2). На фиг.3 показан принцип действия устройства.

Устройство включает в себя два расположенных соосно и разнесенных вдоль оси кольцевых электрода 1, подключенные к импульсному источнику питания 2, а также элементы инициирования плазмы 3, имеющие электрический контакт с электродами 1 и установленные между ними, в устройстве содержатся также изоляторы 4, у каждого из которых одна из сторон выполнена в виде участка цилиндрической поверхности, количество изоляторов 4 равно количеству элементов инициирования плазмы 3, причем каждый изолятор 4 установлен между электродами 1 таким образом, что образующая цилиндрической поверхности параллельна оси устройства, касательная к направляющей цилиндрической поверхности в ближайшей к оси точке не пересекает ось устройства, при этом все изоляторы 4 ориентированы одинаково относительно оси, а каждый элемент инициирования плазмы 3 размещен со стороны цилиндрической поверхности соответствующего ему изолятора 4 вблизи него. Каждый элемент инициирования плазмы 3 выполнен либо в виде проволочки (фиг.1), либо в виде пары острых выступов на электродах так, что выступ одного электрода направлен своим острием навстречу выступу другого электрода (фиг.2).

В качестве элементов инициирования плазмы в предлагаемом устройстве возможно использование прямолинейных металлических проволочек, концы которых размещены на электродах так, чтобы место контакта одного конца каждой проволочки было размещено на одном электроде, а место контакта другого конца - на другом электроде, причем проволочки расположены параллельно друг другу и оси устройства; проволочки взрываются и переходят в плазменное состояние при прохождении через них сильноточного импульса (в этом случае в качестве источника питания следует использовать импульсный источник тока). Возможно также использование пар острых выступов на электродах, выполненных таким образом, что выступ одного электрода направлен своим острием навстречу выступу другого электрода. При подаче на электроды импульса высокого напряжения между выступами произойдет пробой вдоль поверхности изолятора (подробнее о разряде вдоль поверхности диэлектрика см. [6]: Dubinov A. E., "A particle-in-cell simulation of a process of avalanche developing at a non-completed sliding discharge". Plasma Sources Science and Technology, 2000, v. 9, p.597-599). Источником питания в таком случае может служить импульсный источник высокого напряжения, например генератор Маркса. В качестве импульсного источника тока может быть использован генератор тока на основе дисковых взрывомагнитных генераторов типа тех, которые описаны в [7] (Демидов В.А., Селемир В.Д., Казаков С.А. и др. Многомодульный взрывомагнитный источник энергии "Спрут". Исследования по физике плазмы, Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1998, с.145-159).

В качестве параметров одного из примеров конкретного выполнения можно предложить следующие:

количество элементов инициирования плазмы 8-20;

внешний диаметр электродов 2,5 см;

расстояние между электродами 2 см;

проволочки изготовлены из металла, например, вольфрама;

диаметр проволочек 10 мкм;

изоляторы изготовлены из корунда.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.3). При подаче на электроды импульса напряжения или тока с источника питания источники инициирования плазмы 3 переходят в плазменное состояние (на фиг.3 плазменные образования представлены толстыми размытыми линиями). На образовавшиеся плазменные шнуры действуют силы Ампера, заставляющие их двигаться к оси устройства (направления действия результирующих сил показаны толстыми стрелками). Однако изоляторы 4 вынуждают плазменные образования перемещаться не прямо к оси, а под углом к ней, прижимаясь к изоляторам 4 (направления движения плазмы показаны тонкими линиями). В результате сжимающееся плазменное кольцо приобретет тангенциальную скорость относительно оси сжатия и получит дополнительную устойчивость против изгибных процессов, следствием чего, как указывалось выше, станет достижение технического результата.

Таким образом, техническую задачу можно считать решенной за счет технического решения, изложенного в формуле изобретения.