Плазменное устройство для нейтронного излучения

 

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может быть использовано при разработке импульсных источников рентгеновского и нейтронного излучений. Цель изобретения снижение затрат электроэнергии на сжатие и нагрев плазмы. Устройство состоит из кольцевого электрода, соосных торцов электродов, причем кольцевой электрод в осевом сечении имеет форму треугольника с кромкой, направленной к оси устройства, торцевые электроды выполнены в виде конусов, острием к центру симметрии, угол α при кромке кольцевого электрода удовлетворяет условию a₁< α_кр, где γ коэффициент адиабаты разрядной плазмы, углы a конусов торцовых электродов и образующих поверхностей кольцевого электрода соответствуют условию a ≅ α_кр-2Ψ, где Ψ = arctg [(r₁/R)²-1]< 0,52 α_кр угол между перпендикуляром к поверхности кольцевого электрода и плазменной оболочкой в точке ее касания поверхности, расположенной на расстоянии r₁ от оси симметрии устройства, R соответствующий радиус торцового электрода, а длина δ области перехода вдоль поверхности кольцевого электрода от образующих с углом a между ними до кромки с углом a₁ составляет где σ спитцеровская проводимость плазмы, f частота разрядного контура, m магнитная постоянная. После заполнения межэлектродного промежутка дейтерийтритиевой смесью подается напряжение на электроды. В результате разряда на внешнем радиусе электродов формируется плазменная оболочка, сжимающаяся к центру симметрии под действием магнитного давления тока. При выходе плазменной оболочки на кромки и острия электродов формируются кумулятивные струи, сталкивающиеся в центре симметрии и формирующие высокотемпературный плазменный сгусток, который является источником нейтронного излучения. 2 ил.

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может быть использовано при разработке импульсных источников рентгеновского и нейтронного излучений. Целью изобретения является снижение затрат электроэнергии, расходуемой на сжатие и нагрев плазмы. На фиг. 1 схематически изображено осевое сечение плазменного устройства; на фиг. 2 сечение кольцевого электрода. Плазменное устройство для нейтронного излучения содержит кольцевой электрод 1 и расположенные соосно и симметрично относительно него торцовые электроды 2, 3. Электрод 1 в осевом сечении имеет форму равнобедренного треугольника, а электроды 2, 3 коническую форму, вершины которых обращены к центру симметрии системы. К электродам 1-3 присоединены с помощью фланцевых соединений 4-6 через разрядники Р конденсаторные батареи С. Плазменные токовые скин-слои 7, 8 формируются в межэлектродных каналах S. В момент схлопывания плазменные скин-слои 9, 10 занимают положение вблизи центра, а в месте их соприкосновения образуются кумулятивные струи 11, 12, 13. Межэлектродные каналы S симметричны относительно центра симметрии системы. Угол α₁ при кромке кольцевого электрода удовлетворяет условию α₁ < α_кр, где α_кр= π-2arctg где γ коэффициент адиабаты плазмы, углы α при вершинах конусов торцовых электродов и образующих поверхностей кольцевого электрода соответствуют условию α ≅ α_кр 2 Ψ, где Ψ arctg[(r/R)² 1] < 0,5 α_кр угол между перпендикуляром к поверхности кольцевого электрода и плазменной оболочкой в точке ее касания поверхности, расположенной на расстоянии r₁ от оси симметрии устройства; R радиус торцевого электрода, а длина области перехода δ вдоль поверхности кольцевого электрода от образующих с углом α до кромки с углом α₁ составляет не менее удвоенной толщины плазменной оболочки. δ ≥ 2/ где σ проводимость плазмы разряда; f частота разрядного контура; μ магнитная постоянная. Устройство работает следующим образом. После заполнения рабочим газом напряжение одинаковой полярности через разрядники Р подается с конденсаторных батарей С на торцовые электроды 2, 3. При этом, батарея С и подводящие кабели образуют разрядный контур. При пробое разрядников Р на краях электродов, где имеет место наименьшая индуктивность разрядного контура, происходит пробой газа и по мере роста плотности разрядного тока образуются плазменные токовые скин-слои 7, 8. Линии тока i в скин-слоях 7, 8 направлены перпендикулярно поверхности электродов 2, 3. При прохождении тока от электродов 2, 3 через скин-слои 7, 8 к электроду 1 в межэлектродных каналах S образуется азимутальное магнитное поле, которое как магнитный поршень давит на скин-слои 7, 8, ускоряя их к центру системы. Плазменная оболочка МN (фиг. 2), вследствие зависимости магнитного давления тока от расстояния до оси симметрии разрядной камеры, вблизи поверхности кольцевого электрода движется медленнее и к моменту выхода ее на кромку этого электрода наклонена под некоторым углом β < <90 к образующей поверхности. Для того, чтобы плазменная оболочка образовывала прямой угол с поверхностью кольцевого электрода вблизи его кромки, привершинный угол кольцевого электрода выполнен равным α₁ α + 2 Ψ где Ψ угол между перпендикуляром АВ к поверхности электрода и линией ВС, параллельной оболочке МN. Для образования кумулятивных струй при схождении оболочек вблизи кромки кольцевого электрода необходимо выполнение условий α≅α_кр, α₁=α+2Ψ≅α_кр что возможно при α ≅ α_кр 2 Ψ.Допустимые значения угла Ψ распределены в интервале 0 < Ψ ≅ 0,5 α_кр, угла наклона β= 90^о -Ψ в интервале 90^о > β ≥ 0,5( π- α_кр). С целью увеличения угла β выше минимально допустимой величины поверхность кольцевого электрода перфорирована для сброса лишней массы газа, сгребаемой оболочкой вблизи поверхности и увеличения, тем самым, ускорения приповерхностной части плазменной оболочки. К моменту достижения скин-слоями вершин электродов их скорости V приближаются к своим максимальным значениям. Скин-слои в этом положении обозначены позициями 9, 10. При этом происходит сжатие наклонно-сталкивающихся плазменных скин-слоев 9, 10, которое начинается от кромок электродов и продолжается при движении слоев в сторону центра симметрии устройства. При определенном угле сталкивания часть плазмы будет выжиматься вперед, образуя кумулятивные плазменные струи 11-13. Скорости кумулятивных струй значительно больше, чем у скин-слоев, поэтому значительно больше, в кумулятивных струях и кинематическая энергия ионов. Кумулятивные струи сталкиваются в центре симметрии системы. При этом кинетическая энергия ионов переходит в тепловую, в результате, в малом объеме образуется плотная разогретая до термоядерной температуры плазма, в которой развивается реакция термоядерного синтеза с выделением нейтронов и α-частиц. Вместе с формированием плазменного ядра завершается процесс квазисферического сжатия движущими скин-слоями 9, 10 дейтерий-тритиевой смеси. Образовавшаяся высокотемпературная плазма является источником нейтронного и рентгеновского излучения. Экономия потребляемой энергии достигается за счет уменьшения по сравнению с прототипом объема "сгребаемого" газа на стадии формирования и ускорения плазменных скин-слоев. При той же затраченной энергии это позволит существенно увеличить скорость сталкивающихся скин-слоев, температуру плазменного ядра, суммарный выход рентгеновских квантов и нейтронов.

Формула изобретения

ПЛАЗМЕННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащее кольцевой электрод, соосно и симметрично относительно которого расположены два торцовых электрода, токоподводы, изоляторы электродов и токоподводов и систему подачи рабочей дейтерий-тритиевой смеси в межэлектродное пространство, отличающееся тем, что, с целью снижения затрат электроэнергии на сжатие и нагрев плазмы, кольцевой электрод в осевом сечении имеет форму треугольника, вершина которого образует кольцевую кромку электрода, торцовые электроды выполнены в виде конусов с вершинами, направленными к центру симметрии устройства, причем острый угол α₁, при вершине кромки кольцевого электрода, направленной к центру симметрии, выбран из условия α₁< α_кр,
где
,
γ коэффициент адиабаты плазмы рабочей смеси,
углы a при вершине конусов торцовых электродов и образующих поверхностей кольцевого электрода выбраны из условия
a ≅ α_кр-2Ψ,
где Ψ = arctg[(r₁/R)²-1] < 0,5α_кр,
r₁ расстояние от поверхности кольцевого электрода до продольной оси устройства;
R радиус торцевого электрода,
а длина области перехода вдоль поверхности кольцевого электрода от образующих с углом α до вершины кромки с острым углом a₁ составляет не менее

где σ спитцеровская проводимость плазмы рабочей смеси;
f частота колебаний разрядного контура;
μ магнитная постоянная.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2