29.03.2019
219.016.efc2

ИНДУКЦИОННЫЙ ИНЖЕКТОР ПЛАЗМЫ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области плазменных технологий, в частности к тематике ядерной физики. Индукционный инжектор плазмы содержит вакуумную камеру из изоляционного материала, соединенную с источником рабочего газа, и размещенную на внешней поверхности камеры силовую катушку с разрядником для подключения к источнику питания, создающую в момент подключения магнитное поле, убывающее от центра катушки вдоль оси камеры. Изобретение заключается в том, что в инжектор введена вспомогательная катушка для создания охранного магнитного поля мультипольного типа, убывающего по радиусу к центру камеры. Изобретение позволяет исключить попадание в плазму продуктов эрозии и примесей с поверхности диэлектрической камеры. 2 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области плазменных технологий, в частности к тематике управляемого термоядерного синтеза.

Одной из перспективных технологий при создании магнитного термоядерного реактора (МТР) является периодическая инжекция в его камеру плазменных струй с целью подпитки топливом для поддержания его стационарной работы, а также для осуществления наиболее эффективных режимов его работы [1]. Важнейшим требованием для осуществления этих технологий является отсутствие примесей в инжектируемой в камеру МТР плазме. В частности, это требование относится к плазменному ускорителю, с помощью которого создаются плазменные струи.

Проблема создания в плазменных ускорителях плазменных струй, не содержащих примеси, остается до сих пор нерешенной для обоих существующих типов ускорителей коаксиального и индукционного типа. В первом случае примеси попадают в плазму в результате электрического разряда между коаксиальными электродами инжектора. Во втором случае индукционный безэлектродный разряд, являющийся источником ускорения плазмы, возникает вблизи поверхности диэлектрической камеры инжектора и с поверхности камеры в плазму попадают продукты ее эрозии и адсорбированные на ней примеси.

В качестве прототипа нами выбран индукционный конический источник плазмы [2]. В диэлектрическую вакуумную камеру посредством быстродействующего клапана инжектируется определенное количество газа и затем на коническую катушку, размещенную на внешней поверхности камеры, разряжается батарея конденсаторов. При этом в области катушки возникает вихревое электрическое поле Е, направленное вдоль окружности с радиусом r с центром на оси камеры и равное:

где - скорость нарастания магнитного поля.

Под действием поля Е в соответствии с кривой Пашена, определяющей необходимую для электрического пробоя величину Е в зависимости от давления газа р, происходит электрический пробой находящегося в камере газа, его ионизация и нагрев с образованием плазменного сгустка, ускоряющегося под действием электродинамической силы.

Недостатком этого индукционного инжектора плазмы является загрязнение плазмы продуктами эрозии стенок диэлектрической камеры, поскольку величина Е, определяемая формулой (1), увеличивается с ростом r и является максимальной у границы камеры. Поэтому пробой возникает сначала вблизи стенки диэлектрической камеры, и последующий электрический разряд вызывает эрозию стенок с попаданием в плазму продуктов эрозии.

Техническим результатом предложенного изобретения является устранение указанного недостатка и создание плазменных потоков, не содержащих примесей, путем усовершенствования известного индукционного инжектора плазмы, содержащего вакуумную камеру из изоляционного материала, соединенную с источником рабочего газа, размещенную на внешней поверхности камеры силовую катушку, подключаемую после напуска газа к источнику питания и создающую в камере в момент подключения магнитное поле, убывающее от центра катушки вдоль оси камеры.

Усовершенствование заключается в том, что в инжектор введена вспомогательная катушка, выполненная в виде системы кольцевых проводников с противоположным направление тока в соседних проводниках, создающая охранное магнитное поле мультипольного типа, поперечного по отношению к направлению возникающего электрического поля и убывающего по радиусу к центру камеры.

Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез индукционного инжектора плазмы, а на фиг.2 - поперечный разрез. Предложенный индукционный инжектор состоит из вакуумной камеры 1, изготовленной из диэлектрического материала (керамика, кварц), надеваемой на нее катушки импульсного магнитного поля 2, подсоединенной к конденсаторной батарее 3 через разрядник 4; импульсного клапана 5 подачи нейтрального газа вместе с каналом транспортировки газа 6; вспомогательной катушки охранного магнитного поля 7 с кольцевыми витками 8, запитываемой от вспомогательной конденсаторной батареи 9 через разрядник 10. Кольцевые витки в катушке соединены между собой таким образом, чтобы направление тока в соседних витках было противоположным. Витки катушки заключены в диэлектрический цилиндр из застывшей эпоксидной смолы.

Последовательность работы ускорителя такова. В вакуумную камеру 1 с помощью клапана 5 инжектируется порция нейтрального газа. В этот момент на катушку 2 с помощью разрядника 4 подается напряжение конденсаторной батареи 3. Быстро нарастающее продольное магнитное поле катушки вызывает у внутренней поверхности вакуумной камеры электрический кольцевой пробой находящегося в ней газа и сжатие кольцевым током газового облака с образованием плазменного сгустка (тэта-пинч). Поскольку магнитное поле является неоднородным по длине, достигая максимума в середине катушки и убывая к краям, то порция образовавшейся плазмы, находящаяся (в данном случае) правее центра (фиг.1), выталкивается из области катушки и ускоряется в направлении направо.

Для устранения загрязнения возникающей плазмы вследствие электрического пробоя вдоль поверхности диэлектрической камеры в предложенном варианте индукционного инжектора используется то обстоятельство, что введение в камеру магнитного поля Н, поперечного по отношению к направлению электрического поля, затрудняет пробой и при достаточной величине может его предотвратить [3]. Для того, чтобы поле убывало к центру камеры и не мешало возникновению пробоя вдали от стенки, используется поле мультипольного типа, создаваемое системой кольцевых проводников с противоположным направлением тока в соседних проводниках.

Величина необходимого магнитного поля вблизи поверхности камеры выбирается следующим образом. В соответствии с кривой Пашена, определяющей необходимую для электрического пробоя величину Е в зависимости от давления газа р, выбирается значение давления p1, предотвращающее электрический пробой при возникающем согласно (1) Е. При заданном в камере начальном значении давления газа р0, меньшем p1 и не препятствующем в соответствии с кривой Пашена возникновению пробоя, вблизи поверхности камеры создается поперечное магнитное поле, удовлетворяющее условию

где ωH - ларморовская частота электронов; νe - частота столкновений электронов с атомами газа. Согласно [3] выполнение данного условия предотвращает пробой газа с давлением р0 вблизи стенки диэлектрической камеры. Таким образом обеспечиваются условия создания плазменного сгустка, не содержащего примесей.

Источники информации

1. Олейник А.Г., Попрядухин А.П. Инжекция плазменных струй как метод глубокой подпитки токамаков-реакторов топливом. Физика плазмы, т.24, н.8, с.697-705 (1998).

2. Азовский Ю.С., Гужовский И.Т., Мазалов Ю.П., Манк В.В., Сафронов Б.В., Чураев В.А. Индукционный конический источник плазменных сгустков. Журнал технической физики - т.33, вып.10, с.1149-1158 (1963).

3. Towensend J.S., Gill E.W.B. Generalization of the theory of electrical discharges. Philosophical magazine. Vol.26, p.290 (1938).

Индукционныйинжекторплазмы,содержащийвакуумнуюкамеруизизоляционногоматериала,соединеннуюсисточникомрабочегогаза,иразмещеннуюнавнешнейповерхностикамерысиловуюкатушкусразрядникомдляподключениякисточникупитания,создающуювмоментподключениямагнитноеполе,убывающееотцентракатушкивдольосикамеры,отличающийсятем,чтовведенавспомогательнаякатушка,выполненнаяввидесистемыкольцевыхпроводниковспротивоположнымнаправлениемтокавсоседнихпроводниках,создающаяохранноемагнитноеполемультипольноготипа,убывающеепорадиусукцентрукамеры.
Источник поступления информации: Роспатент

Похожие РИД в системе

+ добавить свой РИД