RU2187216C1 - Process of generation of plasma flux and gear for its realization - Google Patents
Process of generation of plasma flux and gear for its realization Download PDFInfo
- Publication number
- RU2187216C1 RU2187216C1 RU2001118656A RU2001118656A RU2187216C1 RU 2187216 C1 RU2187216 C1 RU 2187216C1 RU 2001118656 A RU2001118656 A RU 2001118656A RU 2001118656 A RU2001118656 A RU 2001118656A RU 2187216 C1 RU2187216 C1 RU 2187216C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- plasma
- granules
- coaxial
- substance
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Заявляемая группа изобретений относится к плазменной и ядерной технике, а более конкретно к способам и устройствам для заполнения магнитных ловушек термоядерных реакторов топливом или плазмой, для предварительной ионизации в них газа и зажигания основного разряда, а также для заполнения плазмой различных плазменных установок. The claimed group of inventions relates to plasma and nuclear technology, and more specifically to methods and devices for filling magnetic traps of thermonuclear reactors with fuel or plasma, for preliminary ionization of gas in them and ignition of the main discharge, as well as for filling various plasma systems with plasma.
В современных плазменных установках и особенно в будущих термоядерных реакторах требуется оперативно обеспечивать оптимальное распределение концентрации топлива в области удержания и нагрева плазмы. Чтобы достичь области потребления и пройти сквозь область плотной и горячей плазмы, инжектируемое топливо должно обладать достаточно большим импульсом направленного движения (nv). С этой целью необходимо обеспечить скорость движения частиц v в пределах 10-100 км/с, их концентрацию n ≥ 1020 м-3 и полное количество ускоренных частиц 1018-1023. Минимальный порог концентрации частиц особенно важен при инжекции топлива в плазменном состоянии в магнитные ловушки с удерживающим полем. Так как транспортировка плазмы с плотностью до 1020 м-3 в термоядерный реактор недостаточно эффективна из-за сильного отклонения плазменного сгустка удерживающим магнитным полем 5-10 Т, то необходимо использовать более высокую плотность сгустка плазмы. Например, для температуры плазмы в сгустке t=10 эВ и концентрации n=1021 м-3 циклотронная частота и частота столкновений соизмеримы и составляют 7,5•108 и 9,6•108 с-1 соответственно, т.е. сгусток с такой плотностью не будет взаимодействовать с магнитным полем ловушки и может проникать в ее центральную область.In modern plasma systems, and especially in future thermonuclear reactors, it is necessary to quickly ensure the optimal distribution of the fuel concentration in the region of plasma confinement and heating. In order to reach the consumption region and pass through the region of dense and hot plasma, the injected fuel must have a sufficiently large momentum of directional motion (nv). For this purpose, it is necessary to ensure the particle velocity v within 10-100 km / s, their concentration n ≥ 10 20 m -3 and the total number of accelerated particles 10 18 -10 23 . The minimum threshold for particle concentration is especially important when injecting fuel in a plasma state into magnetic traps with a confining field. Since the transport of plasma with a density of up to 10 20 m -3 to a thermonuclear reactor is not effective enough due to the strong deflection of the plasma clot by a holding magnetic field of 5-10 T, it is necessary to use a higher density of the plasma clot. For example, for the plasma temperature in the bunch t = 10 eV and concentration n = 10 21 m -3, the cyclotron frequency and collision frequency are comparable and are 7.5 • 10 8 and 9.6 • 10 8 s -1, respectively, i.e. a bunch with such a density will not interact with the magnetic field of the trap and can penetrate into its central region.
Известен способ получения потока плазмы, включающий напуск газа в область формирования плазмы, ионизацию газа, индуцирование в плазме токов путем изменения внешнего магнитного поля, пронизывающего плазму, пространственную задержку образовавшейся плазмы магнитным полем пробочной конфигурации в области ее формирования в течение времени индуцирования токов и последующее ускорение плазмы при воздействии на нее внешним магнитным полем (см. патент РФ 2092982, кл. Н 05 Н 1/54, опубл. 10.10.1997). A known method of obtaining a plasma flow, including the inlet of gas into the region of plasma formation, gas ionization, inducing currents in the plasma by changing the external magnetic field penetrating the plasma, the spatial delay of the formed plasma by the magnetic field of the plug configuration in the region of its formation during the time of current induction and subsequent acceleration plasma when exposed to an external magnetic field (see RF patent 2092982, CL N 05 N 1/54, publ. 10.10.1997).
Известный способ позволяет повысить эффективность ускорения плазмы за счет увеличения коэффициента полезного действия, коэффициента преобразования и многократного увеличения энергии ускоренных частиц. Однако примененная в способе дозировка подачи газа с помощью быстродействующего клапана и задержка плазмы полем магнитной ловушки не позволяет получать достаточно плотные сгустки газа. The known method allows to increase the efficiency of plasma acceleration by increasing the efficiency, conversion coefficient and a multiple increase in the energy of accelerated particles. However, the dosage of gas supply used in the method using a high-speed valve and the plasma delay by the magnetic trap field do not allow obtaining sufficiently dense gas clots.
Известно устройство для получения потока плазмы, содержащее вакуумную камеру, образованную цилиндрической трубкой, силовой разрядный виток, помещенный внутрь магнитной катушки, вспомогательный разрядный виток, энергетические накопители, соединенные с управляемыми разрядниками, систему для напуска рабочего газа и схему питания и управления (см. патент РФ 2092982, кл. Н 05 Н 1/54, опубл. 10.10.1997). A device for producing a plasma stream is known, comprising a vacuum chamber formed by a cylindrical tube, a power discharge coil placed inside a magnetic coil, an auxiliary discharge coil, energy storage devices connected to controlled spark gaps, a system for inlet of a working gas, and a power and control circuit (see patent RF 2092982, CL H 05 H 1/54, publ. 10.10.1997).
Известное устройство обеспечивает значительные скорости частицам плазмы, однако не позволяет получать плотную плазму. The known device provides significant speeds to the plasma particles, but does not allow to obtain a dense plasma.
Известен способ получения потока плазмы, включающий абляцию рабочего вещества под действием радиационных и тепловых потоков, поступающих из зоны разряда на поверхность рабочего вещества, и последующее ускорение образовавшейся плазмы при ее взаимодействии с электромагнитным полем (см. С.Д.Гришин, Л.В.Лесков, Н.П.Козлов. Импульсные плазменные ускорители. - М.: Машиностроение, с. 120-123, 1983). A known method of obtaining a plasma stream, including the ablation of the working substance under the action of radiation and heat fluxes coming from the discharge zone to the surface of the working substance, and subsequent acceleration of the formed plasma when it interacts with an electromagnetic field (see S.D. Grishin, L.V. Leskov, NP Kozlov, Pulsed Plasma Accelerators. - M.: Mechanical Engineering, pp. 120-123, 1983).
Известный способ позволяет достигать значительных скоростей потока плазмы, но при этом плотность плазмы оказывается незначительной, так как дальнейшее увеличение плотности плазмы приводит к ее загрязнению продуктами материала ускорительных электродов и снижению степени ионизации. The known method allows to achieve significant plasma flow rates, but the plasma density is insignificant, since a further increase in the plasma density leads to its pollution by the products of the material of accelerating electrodes and a decrease in the degree of ionization.
Известен двухступенчатый ускоритель плазмы с эрозией диэлектрика, включающий три коаксиальных электрода, разделенных изоляционными втулками и попарно подключенных к емкостным накопителям энергии. Внутренний и промежуточный электроды образуют объем, где происходит образование плазмы в результате эрозии диэлектрика, а промежуточный и внешний электроды составляют ускорительную ступень устройства полем (см. С.Д.Гришин, Л.В.Лесков, Н.П.Козлов. Импульсные плазменные ускорители. - М.: Машиностроение, с. 121, 1983). Known two-stage plasma accelerator with erosion of the dielectric, including three coaxial electrodes separated by insulating sleeves and pairwise connected to capacitive energy storage. The internal and intermediate electrodes form the volume where plasma is formed as a result of dielectric erosion, and the intermediate and external electrodes make up the accelerator stage of the device by the field (see SD Grishin, LV Leskov, NP Kozlov. Pulse plasma accelerators . - M.: Mechanical Engineering, p. 121, 1983).
Известный двухступенчатый ускоритель позволяет разделить процессы создания плазмы и ее ускорения и тем самым достигать значительных скоростей потока плазмы. Однако известный ускоритель не позволяет получать плазму большой плотности, так как дальнейшее увеличение плотности плазмы приводит к ее загрязнению продуктами материала ускорительных электродов и снижению степени ионизации. The well-known two-stage accelerator allows you to separate the processes of plasma creation and its acceleration and thereby achieve significant plasma flow rates. However, the known accelerator does not allow to obtain a plasma of high density, since a further increase in the plasma density leads to its contamination with the products of the material of the accelerating electrodes and a decrease in the degree of ionization.
Наиболее близком по совокупности существенных признаков к заявляемому способу является способ получения потока плазмы, включающий воздействие электрическим разрядом на гидрид титана, подачу образовавшегося водорода в область формирования плазмы, ионизацию водорода электрическим разрядом между коаксиальными электродами и ускорение образовавшейся плазмы силой Лоренца при взаимодействии азимутального магнитного поля и радиального тока электрического разряда (см. A.V.Voronin, К.G.Hellblom. "A titanium hydride gun for plasma injection into the T2-reversed field pinch device" - Plasma Physics and Controlled Fusion. - 41, p. 293-302, 1999). The closest set of essential features to the claimed method is a method of obtaining a plasma stream, including exposure to titanium hydride by an electric discharge, supplying the generated hydrogen to the plasma formation region, hydrogen ionizing the electric discharge between the coaxial electrodes and accelerating the formed plasma by the Lorentz force in the interaction of the azimuthal magnetic field and radial electric discharge current (see AVVoronin, K. G. Hellblom. "A titanium hydride gun for plasma injection into the T2-reversed field pinch device" - Plasma Physic s and Controlled Fusion. - 41, p. 293-302, 1999).
Известный способ-прототип обеспечивает получение скоростей плазменного кластера до 250 км/с с концентрацией ионов порядка 1020 1/м3 и температурой электронов 40 эВ. Однако дальнейшее увеличение плотности плазмы при использовании известного способа-прототипа приводило к значительному увеличению вредных примесей, поступающих с электродов.The known prototype method provides for obtaining plasma cluster velocities of up to 250 km / s with an ion concentration of about 10 20 1 / m 3 and an electron temperature of 40 eV. However, a further increase in plasma density using the known prototype method led to a significant increase in harmful impurities from the electrodes.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству для получения потока плазмы является импульсный двухступенчатый ускоритель плазмы, принятый за прототип. Известный ускоритель содержит два коаксиальных ускоряющих электрода, соединенных с импульсным емкостным накопителем энергии и отделенных друг от друга диэлектрической вставкой, дополнительный электрод, электрически с ускоряющими электродами не соединенный и находящийся поэтому под "плавающим потенциалом", а также узел напуска газа (см. А.Я.Балагуров, С.Д.Гришин, А.Г.Ершов, Л.В.Лесков и А.М.Петров. Исследование импульсного двухступенчатого ускорителя плазмы. - Журнал технической физики. - т. XL, 3, с. 458-460, 1970). The closest set of essential features to the claimed device for receiving a plasma flow is a pulsed two-stage plasma accelerator, adopted as a prototype. The known accelerator contains two coaxial accelerating electrodes connected to a pulsed capacitive energy storage device and separated by a dielectric insert, an additional electrode not electrically connected to accelerating electrodes and therefore located under a "floating potential", and also a gas inlet unit (see A. Ya. Balagurov, S.D. Grishin, A.G. Ershov, L.V. Leskov, and A.M. Petrov, Investigation of a Pulse Two-Stage Accelerator of Plasma, Journal of Technical Physics, vol. XL, 3, p. 458- 460, 1970).
Известный ускоритель позволяет осуществлять задержку разряда относительно момента впрыска газа без применения синхронизирующего такую задержку устройства, что обеспечивает достижение наибольшего импульса направленного движения плазмы. Однако использование в узле напуска газа быстродействующего клапана не позволяет получать плотные потоки плазмы. The known accelerator allows delaying the discharge relative to the moment of gas injection without the use of a device synchronizing such a delay, which ensures the achievement of the greatest impulse of directed plasma motion. However, the use of a quick-acting valve in the gas inlet assembly does not allow obtaining dense plasma flows.
Задачей являлась разработка способа получения потока плазмы и реализующего этот способ устройства, которые бы позволяли создавать в рабочей области источник плотного облака газа (≥1021 1/м3), эффективно ионизировать это плотное облако газа и затем ускорять образовавшийся плотный плазменный кластер, а в результате получать поток плазмы с плотным плазменным сгустком, движущимся со скоростью более 10 км/с.The task was to develop a method for producing a plasma flow and devices implementing this method, which would make it possible to create a source of a dense gas cloud in the working area (≥10 21 1 / m 3 ), effectively ionize this dense gas cloud, and then accelerate the dense plasma cluster formed, and the result is a plasma stream with a dense plasma bunch moving at a speed of more than 10 km / s.
Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, а именно тем, что в способе получения потока плазмы, включающем воздействие физическим фактором на газосодержащее твердое вещество, напуск полученного газа в область формирования плазмы, ионизацию газа электрическим разрядом между коаксиальными электродами и ускорение образовавшейся плазмы силой Лоренца при взаимодействии азимутального магнитного поля и радиального тока электрического разряда, физическим фактором воздействуют на вещество в виде гранул, а напуск полученного из гранул газа в область формирования плазмы осуществляют через газопроницаемую перегородку. The problem is solved by a group of inventions, united by a single inventive concept, namely, that in a method for producing a plasma stream, including exposure to a gas-containing solid substance by a physical factor, inlet of the obtained gas into the plasma formation region, gas ionization by electric discharge between coaxial electrodes and acceleration of the formed plasma by the Lorentz force in the interaction of the azimuthal magnetic field and the radial current of an electric discharge, a physical factor affects things GUSTs as granules, as obtained from a gas corbelling granules to plasma formation is performed through a gas-permeable partition.
Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для получения потока плазмы, включающем два коаксиальных ускоряющих электрода, подключенных с импульсному емкостному накопителю энергии и отделенных друг от друга диэлектрической вставкой, дополнительный электрод и узел напуска газа, узел напуска газа выполнен в виде гранул из газосодержащего вещества, размещенных между газопроницаемой перегородкой и дополнительным электродом, включенным в цепь дополнительного емкостного накопителя энергии. The problem is also solved by the fact that in the device for obtaining a plasma flow, comprising two coaxial accelerating electrodes connected to a pulsed capacitive energy storage device and separated from each other by a dielectric insert, an additional electrode and a gas inlet unit, the gas inlet unit is made in the form of gas-containing granules substances placed between the gas-permeable partition and the additional electrode included in the circuit of the additional capacitive energy storage.
На газосодержащие гранулы можно воздействовать тепловым или радиационным потоком, например электрическим разрядом, плазмой из внешнего источника или излучением лазера. Газопроницаемая перегородка может быть изготовлена из сетки с размером ячеек, меньшим минимального размера гранул, или из нескольких установленных вплотную со смещенными относительно друг друга ячейками. Перегородка может быть также выполнена в виде слоя из волокнистого материала, из спеченных гранул, из других известных материалов со сквозными порами, имеющими меньшие размеры, чем размеры гранул. Коаксиальная диэлектрическая вставка может быть выполнена в виде полого цилиндра, прилегающего к части внутренней поверхности внешнего коаксиального ускоряющего электрода. Гранулы могут быть выполнены из титана, напитанного газом, в частности водородом, из нитрида титана, из оксида титана и других известных газосодержащих материалов, в зависимости от назначения плазмы. Gas-containing granules can be influenced by heat or radiation, for example, by an electric discharge, plasma from an external source, or laser radiation. The gas-permeable partition can be made of a mesh with a mesh size smaller than the minimum size of the granules, or of several cells that are installed closely adjacent to offset from each other. The partition can also be made in the form of a layer of fibrous material, of sintered granules, of other known materials with through pores having smaller dimensions than the size of the granules. The coaxial dielectric insert can be made in the form of a hollow cylinder adjacent to a part of the inner surface of the external coaxial accelerating electrode. The granules can be made of titanium, saturated with gas, in particular hydrogen, from titanium nitride, from titanium oxide and other known gas-containing materials, depending on the purpose of the plasma.
Заявляемый способ и устройство для его осуществления основаны на том, что создание рабочего вещества, его ионизация и ускорение осуществляют поэтапно при взаимодействии мощных электрических разрядов малой длительности последовательно с твердым телом, газом и плазмой. Скорость плазменного сгустка может достигать при этом 10-100 км/с, а его плотность 1021-1026 1/м3.The inventive method and device for its implementation are based on the fact that the creation of a working substance, its ionization and acceleration are carried out in stages by the interaction of powerful electric discharges of short duration in series with a solid body, gas and plasma. The speed of the plasma bunch can reach 10-100 km / s, and its density is 10 21 -10 26 1 / m 3 .
Заявляемые технические решения основаны на использовании гранул газосодержащего твердого вещества для интенсивного заполнения источника рабочим газом. Гранулы не должны содержать примеси, существующие в свободном состоянии в виде газа. The claimed technical solutions are based on the use of granules of a gas-containing solid substance for intensively filling the source with working gas. Granules should not contain impurities existing in the free state in the form of gas.
Известно, что значительное количество газа может быть адсорбировано твердым телом или химически связано с ним. В ходе исследований авторы выяснили, что гранулы могут интенсивно выделять газ при воздействии различными физическими факторами, например электрическим разрядом или плазмой. Так, интенсивный электрический разряд, проходящий через гранулы, может отделять и создавать плотное облако газа. Разделение газа от негазообразных примесей осуществляют с помощью газопроницаемой перегородки, расположенной между гранулами и пространством коаксиального ускорителя плазмы. Интенсивный электрический разряд, горящий между коаксиальными электродами, ионизует газ и ускоряет плазменный кластер. Параметры разряда, горящего между двумя электродами, могут значительно влиять на поступление примесей в плазму. В работе (см. Г.С.Белкин, В.Я.Киселев. Влияние материала электрода на эрозию при больших токах. ЖТФ, т. 37, вып. 5, с. 977-979, 1967) установлено, что интеграл произведения тока разряда и его длительности Q сильно влияет на эрозию или на количество сброшенного материала с электродов. Эта зависимость линейно растет и содержит резкий скачок при значениях в несколько десятков кулон для всех металлов. Металлы с наибольшим произведением теплоемкости и температуры плавления имеют наименьшую эрозию разрядом. Например, эрозия титана незначительная при Q≥34 К, однако, она скачкообразно увеличивается при Q= 35 К. Длительность разряда также влияет на количество примесей в генерируемой плазме: доля газа в плазме возрастала с увеличением длительности разряда в источнике. It is known that a significant amount of gas can be adsorbed by a solid or chemically bound to it. In the course of research, the authors found that granules can intensively release gas when exposed to various physical factors, such as electrical discharge or plasma. Thus, an intense electrical discharge passing through the granules can separate and create a dense cloud of gas. The separation of gas from non-gaseous impurities is carried out using a gas permeable partition located between the granules and the space of the coaxial plasma accelerator. An intense electric discharge burning between coaxial electrodes ionizes the gas and accelerates the plasma cluster. The parameters of a discharge burning between two electrodes can significantly affect the influx of impurities into the plasma. In the work (see G. S. Belkin, V. Ya. Kiselev. Effect of electrode material on erosion at high currents. ZhTF, vol. 37, issue 5, p. 977-979, 1967) it was established that the integral of the product of the current discharge and its duration Q strongly affects erosion or the amount of material discharged from the electrodes. This dependence grows linearly and contains a sharp jump at values of several tens of pendant for all metals. Metals with the highest product of heat capacity and melting point have the least discharge erosion. For example, titanium erosion is negligible at Q≥34 K, however, it increases stepwise at Q = 35 K. The discharge duration also affects the amount of impurities in the generated plasma: the fraction of gas in the plasma increased with increasing discharge duration in the source.
Исходя из этих соображений, авторы исследовали процессы ионизации газа в разряде, горящем между титановыми электродами. Интеграл произведения тока разряда и его длительности Q выбирался меньшим или равным 34 К, а энергия разряда W составляла ≤1 кДж. Оценки показали, что этой энергии достаточно для ионизации примерно 5•1020 атомов водорода. Несколько идентичных источников могут произвести большее количество ионизированных частиц. В коаксиальном ускорителе разгоняет плазму сила Лоренца F (см. П.М.Колесников. Импульсное ускорение плазмы. В кн.: Электродинамическое ускорение плазмы, с. 198-285, М.: Атомиздат, 1971):
F=I2/2•(dL/dx), (1)
где: I - ток разряда; L - индуктивность цепи. Ток в электродах создает азимутальное магнитное поле внутри ускорителя. Сила Лоренца возникает в результате взаимодействия этого магнитного поля с радиальным током разряда, протекающим между коаксиальными электродами. Сила действует вдоль оси Х в направлении от места подключения токоподводов к удаленному торцу коаксиальных электродов независимо от направления тока. Механизм ускорения плазмы в скрещенных магнитном и электрическом полях в предлагаемом источнике не работает, так как плазма с плотностью ≥1021 м3 не замагничена.Based on these considerations, the authors investigated the processes of gas ionization in a discharge burning between titanium electrodes. The integral of the product of the discharge current and its duration Q was chosen to be less than or equal to 34 K, and the discharge energy W was ≤1 kJ. Estimates have shown that this energy is enough to ionize about 5 • 10 20 hydrogen atoms. Several identical sources can produce more ionized particles. In a coaxial accelerator, the Lorentz force F accelerates the plasma (see P.M. Kolesnikov. Pulse plasma acceleration. In the book: Electrodynamic plasma acceleration, pp. 198-285, M .: Atomizdat, 1971):
F = I 2/2 • (dL / dx), (1)
where: I is the discharge current; L is the inductance of the circuit. The current in the electrodes creates an azimuthal magnetic field inside the accelerator. The Lorentz force arises as a result of the interaction of this magnetic field with a radial discharge current flowing between coaxial electrodes. The force acts along the X axis in the direction from the point of connection of the current leads to the remote end of the coaxial electrodes, regardless of the direction of the current. The plasma acceleration mechanism in crossed magnetic and electric fields in the proposed source does not work, since a plasma with a density of ≥10 21 m 3 is not magnetized.
Скорость плазменного кластера в ускорителе может быть определена из выражения:
где L0 - индуктивность токоподводящей цепи; Lx - погонная индуктивность коаксиальных электродов; U0 - начальное напряжение емкостного накопителя; S - свободное от электрода сечение коаксиального ускорителя; ρ0- начальная концентрация ускоряемого вещества.The speed of the plasma cluster in the accelerator can be determined from the expression:
where L 0 is the inductance of the current-supply circuit; L x - linear inductance of coaxial electrodes; U 0 is the initial voltage of the capacitive storage; S is the electrode-free section of the coaxial accelerator; ρ 0 is the initial concentration of the accelerated substance.
Из выражения (2) видно, что скорость плазменного кластера слабо зависит от рассматриваемых параметров. Однако она возрастает с увеличением начального напряжения и длины ускорителя и падает с увеличением индуктивности токоподводящей цепи. Следовательно, эта индуктивность должна быть минимальной. It can be seen from expression (2) that the plasma cluster velocity weakly depends on the parameters under consideration. However, it increases with increasing initial voltage and accelerator length and decreases with increasing inductance of the current-supply circuit. Therefore, this inductance should be minimal.
Заявляемый способ получения потока плазмы и устройство для его осуществления иллюстрируются чертежами, где
на фиг. 1 показана одна из возможных конструкций заявляемого устройства для получения потока плазмы в продольном разрезе;
на фиг.2 приведена зависимость количества генерируемых атомов водорода N от энергии Ен в емкостном накопителе (1 - гранулы гидрида титана размером 1 мм взаимодействовали с плазменным сгустком, создаваемым внешним источником, расположенным на расстоянии 220 мм; 2 - электроды устройства, реализующего способ-прототип, изготовлены из гидрида титана);
на фиг.3 изображена зависимость интенсивности J линейчатого спектра плазмы от энергии Ер электрического разряда (1 - линия титана на длине волны 6259/61 Ангстрем, 2 - линия водорода на длине волны 6563 Ангстрем);
на фиг.4 показана зависимость массы М, уносимой с титановых электродов, от интеграла произведения тока разряда и его длительности Q;
на фиг. 5 приведены зависимости от времени: (1) плотности плазменного сгустка n; (2, 3) ток разряда I в первой и второй ступенях заявляемого устройства соответственно. Расстояние между лучом лазерного интерферометра и концом устройства 13 см.The inventive method of obtaining a plasma stream and a device for its implementation are illustrated by drawings, where
in FIG. 1 shows one of the possible designs of the inventive device for receiving a plasma flow in longitudinal section;
figure 2 shows the dependence of the number of generated hydrogen atoms N on energy E n in a capacitive storage device (1 - titanium hydride granules 1 mm in size interacted with a plasma bunch created by an external source located at a distance of 220 mm; 2 - electrodes of a device that implements the method prototype made of titanium hydride);
figure 3 shows the dependence of the intensity J of the linear spectrum of the plasma from the energy Ep of the electric discharge (1 - line of titanium at a wavelength of 6259/61 Angstroms, 2 - line of hydrogen at a wavelength of 6563 Angstroms);
figure 4 shows the dependence of the mass M carried away from titanium electrodes on the integral of the product of the discharge current and its duration Q;
in FIG. Figure 5 shows the time dependences: (1) the density of the plasma bunch n; (2, 3) discharge current I in the first and second steps of the inventive device, respectively. The distance between the beam of the laser interferometer and the end of the device is 13 cm.
Заявляемое устройство для получения плазмы, изображенное на фиг.1, содержит гранулы газосодержащего вещества 1, расположенные между дополнительным коаксиальным электродом 2 и внутренним коаксиальным электродом 3, размещенным внутри внешнего коаксиального ускоряющего электрода 4. Гранулы 1 отделены от электрода 3 газопроницаемой перегородкой 5. Электроды 3 и 4 отделены друг от друга диэлектрической вставкой 6 и подсоединены к импульсному емкостному накопителю энергии 7 через игнитрон 8. Электроды 2, 3 и 4 снаружи изолированы друг от друга диэлектрическими полыми цилиндрическими вставками 9, зафиксированными через фланцы 10 и болты 11. Электроды 2 и 3 присоединены к дополнительному емкостному накопителю энергии 12 также через игнитрон 8. Емкостные накопители энергии 7 и 12 заряжаются от внешнего источника питания через повышающий трансформатор 13, выпрямители 14 и развязаны друг от друга сопротивлением 15. Диод 16 и игнитрон 17 обеспечивают формирование однополярного импульса тока, проходящего через электроды 3 и 4. Устройство прикрепляют к вакуумной камере посредством фланца 18. The inventive device for producing plasma, shown in figure 1, contains granules of a gas-containing substance 1, located between the additional
Заявляемый способ получения потока плазмы с помощью заявляемого устройства осуществляют следующим образом. На игнитрон 8 подают запускающий импульс от внешнего задающего генератора (не показан). Дополнительный емкостной накопитель энергии 12 через игнитрон 8, электроды 2 и 3 разряжается через гранулы 1. Происходит интенсивное выделение газа из гранул. В течение нескольких микросекунд плотное облако газа проходит через газопроницаемую перегородку 5 и заполняет пространство между электродами 3, 4, разделенными диэлектрической вставкой 6. Негазообразные примеси, выделяемые при прохождении разряда через гранулы, задерживаются газопроницаемой перегородкой 5. В момент выхода газа за пределы диэлектрической вставки 6 емкостной накопитель энергии 7 разряжается через игнитрон 8, электроды 3, 4 и газ. Происходит ионизация газа и ускорение плазмы силой Лоренца вдоль оси источника в направлении его конца. The inventive method of obtaining a plasma stream using the inventive device is as follows.
Был изготовлен опытный образец заявляемого устройства, работающий на основе заявляемого способа получения потока плазмы. Вторая ступень устройства представляла собой вариант широко используемого импульсного коаксиального ускорителя плазмы, (электроды 3 и 4). В качестве газосодержащих гранул 1 были использованы гранулы титана диаметром ~1 мм, отделенные от электрода 3 пористой перегородкой 5, выполненной в виде мелкой металлической сетки, чтобы исключить проникновение не газообразных примесей из гранул 1 в плазму второй ступени. Обе ступени источника подключены к мало индуктивным емкостным накопителям энергии 7 и 12 через игнитрон 8. Специальные меры были предприняты по минимизации индуктивности источника питания. Параметры плазмы исследовались на стенде. Источник был соединен с вакуумной камерой, откаченной до давления 10-6 мм рт.ст., через фланец 18. Полное количество производимого источником газа определялось из анализа давления в камере после протекания разряда. Концентрацию и скорость движения плазмы измеряли лазерным (He-Ne) интерферометром на длине волны 0.63 μм. Луч лазера проходил через окно вакуумной камеры перпендикулярно оси источника на расстоянии 13 см от его торца, отражался от зеркала и возвращался обратно в лазер. Интерференционный сигнал детектировался приемником с противоположной стороны лазера. Напряжение на емкостных накопителях создавалось одинаковым и достигало 10 кВ. Емкости первой и второй ступеней составляли C1=3 мкФ; C2=160 мкФ соответственно.A prototype of the inventive device was manufactured, operating on the basis of the inventive method for producing a plasma stream. The second stage of the device was a variant of the widely used pulsed coaxial plasma accelerator, (
Результаты исследований, проведенных на опытном образце заявляемого устройства, приведены ниже. The results of studies conducted on a prototype of the claimed device are shown below.
На фиг.2 видно, что при взаимодействии электрического разряда или плазмы с гидридом титана производство газа растет с увеличением энергии емкостного накопителя. Однако, система гидрида титана, выполненная в виде гранул, способна значительно больше выделять газа по сравнению с монолитной структурой. Figure 2 shows that when the electric discharge or plasma interacts with titanium hydride, gas production increases with increasing energy of the capacitive storage. However, a titanium hydride system made in the form of granules is capable of significantly more gas evolution compared to a monolithic structure.
На фиг.3 видно, что интенсивности излучения линий титана и водорода возрастают с увеличением энергии разряда. При энергии разряда >1 кДж интенсивность излучения линии титана возрастает быстрее, чем водорода. Это означает, что при больших энергиях разряда водородная плазма сильно загрязнена титаном. Figure 3 shows that the radiation intensities of the titanium and hydrogen lines increase with increasing discharge energy. At a discharge energy> 1 kJ, the radiation intensity of the titanium line increases faster than hydrogen. This means that at high discharge energies, the hydrogen plasma is highly contaminated with titanium.
На фиг. 4 видно, что интеграл произведения тока разряда и его длительности Q линейно растет и содержит резкий скачок. Эрозия титана незначительная при Q≤34 К, однако она скачкообразно увеличивается при Q=35 К. In FIG. Figure 4 shows that the integral of the product of the discharge current and its duration Q increases linearly and contains a sharp jump. Titanium erosion is negligible at Q≤34 K, but it increases spasmodically at Q = 35 K.
Средняя концентрация электронов вдоль луча лазера показана на фиг.5. Задержка во времени между концентрацией ne и током разряда второй ступени позволяла оценить скорость движения плазменного кластера в направлении оси источника. Длительность сигналов концентрации τp и тока разряда были соизмеримы. Поэтому полное количество ионизированных частиц Ni оценивалось, как:
Ni= ne•S•v•τp, (3)
где S=7 см2 - сечение наружного электрода источника (предполагается, что оно соответствует сечению плазменного кластера); v - скорость кластера.The average electron concentration along the laser beam is shown in FIG. 5. The time delay between the concentration n e and the discharge current of the second stage made it possible to estimate the velocity of the plasma cluster in the direction of the source axis. The duration of concentration signals τ p and discharge current were comparable. Therefore, the total number of ionized particles N i was evaluated as:
N i = n e • S • v • τ p , (3)
where S = 7 cm 2 is the cross section of the outer electrode of the source (it is assumed that it corresponds to the cross section of the plasma cluster); v is the cluster speed.
Значение Ni достигало 1,8•1019. Степень ионизации составляла 90% при полном количестве генерируемых атомов водорода 2•1019.The value of N i reached 1.8 • 10 19 . The degree of ionization was 90% with the total number of generated
Таким образом, разработано двухступенчатое устройство получения плазмы, реализующее заявляемый способ. В течение 0,1 мс устройство способно генерировать плотный, движущийся с большой скоростью плазменный кластер. Можно выбирать любые газы в качестве плазмообразующего вещества, так как они могут быть адсорбированы (или связаны химически) с гранулами твердого тела. На примере устройства, использующего гранулы гидрида титана, авторами продемонстрирована возможность получения плазменного кластера с плотностью более 1022 м3, полным количеством генерируемых атомов водорода 1017-1021, степенью ионизации до 90% и скоростью движения ≥10 км/с. Генерируемая плазма состояла из водорода, как показали спектральные и газовые анализы. Получаемая плазма может быть использована в качестве топлива в установках управляемого термоядерного синтеза.Thus, a two-stage plasma device has been developed that implements the inventive method. Within 0.1 ms, the device is capable of generating a dense plasma cluster moving at a high speed. You can choose any gases as a plasma-forming substance, since they can be adsorbed (or chemically bonded) with solid granules. Using an example of a device using titanium hydride granules, the authors demonstrated the possibility of producing a plasma cluster with a density of more than 10 22 m 3 , the total number of generated hydrogen atoms is 10 17 -10 21 , the degree of ionization is up to 90%, and the speed is ≥10 km / s. The generated plasma consisted of hydrogen, as shown by spectral and gas analyzes. The resulting plasma can be used as fuel in controlled fusion plants.
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001118656A RU2187216C1 (en) | 2001-07-05 | 2001-07-05 | Process of generation of plasma flux and gear for its realization |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001118656A RU2187216C1 (en) | 2001-07-05 | 2001-07-05 | Process of generation of plasma flux and gear for its realization |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2187216C1 true RU2187216C1 (en) | 2002-08-10 |
Family
ID=20251457
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001118656A RU2187216C1 (en) | 2001-07-05 | 2001-07-05 | Process of generation of plasma flux and gear for its realization |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2187216C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2283737C1 (en) * | 2005-03-17 | 2006-09-20 | Владимир Григорьевич Гиневич | Plasma burner |
| RU2285358C2 (en) * | 2004-10-26 | 2006-10-10 | Валерий Анатольевич Гостев | Device for generation of plasma stream |
| RU2330393C1 (en) * | 2007-02-06 | 2008-07-27 | Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Device for producing plasma stream |
| RU2821305C2 (en) * | 2022-12-16 | 2024-06-20 | Акционерное общество "Научно-производственная корпорация "Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы" имени А.Г. Иосифьяна" (АО "Корпорация "ВНИИЭМ") | Plasma source working medium supply unit |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2031472C1 (en) * | 1992-10-05 | 1995-03-20 | Опытное конструкторское бюро "Факел" | Plasma cathode and method of its activation |
| RU2092982C1 (en) * | 1995-05-23 | 1997-10-10 | Саратовский государственный университет им.Н.Г.Чернышевского | Method for producing fast plasma currents |
| RU2100916C1 (en) * | 1996-10-25 | 1997-12-27 | Закрытое акционерное общество Научно-производственный центр "СОЛИТОН-НТТ" | Plasma accelerator |
-
2001
- 2001-07-05 RU RU2001118656A patent/RU2187216C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2031472C1 (en) * | 1992-10-05 | 1995-03-20 | Опытное конструкторское бюро "Факел" | Plasma cathode and method of its activation |
| RU2092982C1 (en) * | 1995-05-23 | 1997-10-10 | Саратовский государственный университет им.Н.Г.Чернышевского | Method for producing fast plasma currents |
| RU2100916C1 (en) * | 1996-10-25 | 1997-12-27 | Закрытое акционерное общество Научно-производственный центр "СОЛИТОН-НТТ" | Plasma accelerator |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| VORONIN A.V. и др. A titanium hydride gun for plasma injection into the T2-reversed field pinch device. - Plasma Physics and Controlled Fusion. - 41, 1999, p. 293-302. БАЛАГУРОВ А.Я. и др. Исследование импульсного двухступенчатого ускорителя плазмы. - Журнал технической физики, т. XL, № 3, 1970, с. 458-460. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2285358C2 (en) * | 2004-10-26 | 2006-10-10 | Валерий Анатольевич Гостев | Device for generation of plasma stream |
| RU2283737C1 (en) * | 2005-03-17 | 2006-09-20 | Владимир Григорьевич Гиневич | Plasma burner |
| RU2330393C1 (en) * | 2007-02-06 | 2008-07-27 | Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Device for producing plasma stream |
| RU2821305C2 (en) * | 2022-12-16 | 2024-06-20 | Акционерное общество "Научно-производственная корпорация "Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы" имени А.Г. Иосифьяна" (АО "Корпорация "ВНИИЭМ") | Plasma source working medium supply unit |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Mesyats | Ecton or electron avalanche from metal | |
| US10283333B2 (en) | Nanocluster production device | |
| CA2477960C (en) | Method and device for compressing a substance by impact and plasma cathode thereto | |
| US20120281798A1 (en) | Solid-state pulsed power plasma jet injector | |
| US3679897A (en) | Laser bombardment of microparticle beam for producing atomic particles in the form of a beam or an expanding cloud | |
| RU2187216C1 (en) | Process of generation of plasma flux and gear for its realization | |
| Wang et al. | Laser-driven three-stage heavy-ion acceleration from relativistic laser-plasma interaction | |
| Briggs | Collective accelerator for electrons | |
| US4349505A (en) | Neutral beamline with ion energy recovery based on magnetic blocking of electrons | |
| Kohlhase et al. | Pulsed metastable atomic beam source for time‐of‐flight applications | |
| Monchinsky et al. | Laser ion source of Synchrophasotron and Nuclotron in Dubna | |
| Boggasch et al. | Z-pinch current enhancement by the inverse skin effect | |
| RU2554512C1 (en) | Method for thermal and electric energy production and device for its implementation | |
| Voronin et al. | Generation of dense plasma clusters with high velocity | |
| JP2003270400A (en) | Pig type negative ion source for neutron generation tube | |
| CN111182708B (en) | A device that combines ultraviolet radiation to generate a stream of neutral dust particles | |
| Ryabchikov et al. | Sources and methods of repetitively pulsed ion/plasma material treatment | |
| Sarkisov et al. | Cylindrical cumulation of fast ions in a ring focus of a high-power subpicosecond laser | |
| RU2330393C1 (en) | Device for producing plasma stream | |
| Abramova et al. | Injection of a high-density plasma into the Globus-M spherical tokamak | |
| RU2175155C2 (en) | Method for generating microwave pulses in virtual-cathode device and virtual-cathode horn implementing it | |
| RU2614906C1 (en) | Direct flow electric propulsion engine | |
| RU2707272C1 (en) | Powerful neutron source using a nuclear synthesis reaction, which proceeds during bombardment of a neutron-forming gas target by accelerated deuterium ions | |
| Wolowski et al. | Generation of fast highly charged ions in laser–plasma interaction | |
| Yalandin et al. | An experimental study of the formation and the dynamics of transportation of a magnetically insulated high-current subnanosecond tubular electron beam |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110706 |