Устройство для осуществления пинча с помощью электрически взрываемых проводников

 

Изобретение относится к технике высокотемпературной плазмы, получаемой с помощью электрически взрывающихся проводников. В устройстве для осуществления пинча с помощью электрически взрываемых проводников, содержащем кольцевые коаксиальные электроды, расположенные на расстоянии друг от друга по оси, две или более проволочек, каждая из которых одним концом контактирует с одним кольцевым электродом, а другим концом - с другим кольцевым электродом, и импульсный источник тока, подключенный к кольцевым электродам, причем каждая из проволочек выполнена в виде спиральной винтовой линии с переменным диаметром, который в плоскостях кольцевых электродов равен диаметру этих электродов, в некоторой плоскости, параллельной плоскостям кольцевых электродов и находящейся между ними, диаметр винтовых линий каждой проволочки равен нулю, в то время как кривизна каждой проволочки в точке пересечения с этой плоскостью отлична от нуля. Технический результат: местоположение перетяжки полностью определено (как в Х-пинче) и одновременно подавляются змейковая и изгибная неустойчивости (по схеме, сходной с S-пинчем). 1 ил.

Изобретение относится к технике высокотемпературной плазмы, получаемой с помощью электрически взрывающихся проводников.

Известно устройство для осуществления пинча с помощью электрически взрываемых проводников, представляющее собой две или более скрещивающиеся проволочки, нагруженные на источник импульсного тока [1] (Иваненков Г.В., Мингалеев А. Р., Пикуз С.А. и др., "Экспериментальное изучение динамики Х-пинча", Физика плазмы, 1996, т. 22, N 5, с. 403-418). Это устройство получило название Х-пинча за внешнее сходство двух скрещивающихся проволочек с соответствующей буквой. Работает устройство следующим образом: при пропускании через проволочки импульса тока большой силы происходит электрический взрыв проволочек, переход их в плазменное состояние, самосжатие (линчевание плазмы) с образованием неустойчивости типа перетяжки, которая служит, например, источником рентгеновского излучения. В отличие от перетяжки, возникающей при электровзрыве одной проволочки, когда она может возникнуть в любом месте проволочки, положение перетяжки в Х-пинче заранее определено (место скрещивания проволочек), что является основным достоинством известного устройства.

Однако Х-пинч в этом устройстве не защищен от змейковой и изгибной неустойчивостей, которые могут привести к искривлению плазменных каналов и срыву генерации излучения.

Известно также устройство для осуществления пинча с помощью электрически взрываемых проводников [2] (Golub Т.А., Volkov N.B, Spielman R.V., Gondarenko N. A. , "Multiwire screw-pinch loads for generation of terawatt x-ray radiation", Appl. Phys. Lett., 1999, v. 74, N 24, p. 3624-3626), представляющее собой систему прямолинейных проволочек, концы которых размещены на двух коаксиально 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 оба места контактов каждой проволочки с кольцевыми электродами разнесены друг относительно друга по азимуту. В [2] источник импульсного тока подключен к кольцевым электродам.

В этом устройстве осуществляется так называемый S-пинч. Свое название S-пинч получил от английского термина "screw pinch".

В S-пинче проволочки образуют пространственную структуру, огибающая которой является однополостным гиперболоидом вращения. К достоинству S-пинча можно отнести то, что при пропускании через проволочки электрического тока магнитное поле имеет помимо азимутальной аксиальную компоненту (в Х -пинче -только азимутальная), что подавляет развитие змейковой и изгибной неустойчивостей.

Однако место возникновения перетяжки в S-пинче определено слабо. Ясно, что перетяжка начнет формироваться в самом узком сечении огибающего гиперболоида вращения, но в процессе линчевания наиболее плотная часть плазмы может уйти из этого сечения, а также переместиться в радиальном направлении от оси гиперболоида. Таким образом, неопределенность положения перетяжки на конечной стадии линчевания - основной недостаток известного устройства для осуществления S-пинча.

Известна еще одна разновидность устройства для осуществления S-пинча с помощью электрически взрываемых проводников [3] (Spielman R.B., "Theoretical study of Rayleigh-Taytor instabilities in Z-pinch loads and computations of multi-wire array loads for the Z generator, Final report, Contract Number BC-5017, Sandia National Laboratories, Albuquerque, USA, 1998, 145 p.), которое содержит кольцевые коаксиальные электроды, расположенные на расстоянии друг от друга по оси, две или более проволочки, каждая из которых одним концом контактирует с одним кольцевым электродом, а другим концом - с другим кольцевым электродом, и импульсный источник тока, подключенный к кольцевым электродам, причем каждая из проволочек выполнена в виде спиральной винтовой линии с переменным диаметром, который в плоскостях кольцевых электродов равен диаметру этих электродов, а в некоторой плоскости, параллельной плоскостям кольцевых электродов и находящейся межу ними, диаметр винтовых линий каждой из проволочек принимает одинаковое положительное значение, меньшее минимального из диаметров кольцевых электродов.

Это устройство для осуществления S-пинча с помощью электрически взрываемых проводников выбрано нами за прототип. Его достоинства и недостатки полностью повторяют достоинства и недостатки устройства [2], а именно максимум плотности плазмы в процессе пинчевания может сместиться с оси системы и из плоскости минимального диаметра спиралей.

В связи с этим возникает техническая задача, с одной стороны обеспечения устойчивости системы проволочек по отношению к змейковой и изгибной неустойчивостям, а другой стороны - обеспечения полной определенности местоположения перетяжки.

Технический результат при использовании предлагаемой системы проволочек заключается в том, что местоположение перетяжки полностью определено (как в Х-пинче) и одновременно подавляются змейковая и изгибная неустойчивости (по схеме, сходной с S-пинчем).

Этот результат достижим за счет того, что в устройстве для осуществления пинча с помощью электрически взрываемых проводников, содержащем кольцевые коаксиальные электроды, расположенные на расстоянии друг от друга по оси, две или более проволочки, каждая из которых одним концом контактирует с одним кольцевым электродом, а другим концом - с другим кольцевым электродом, и импульсный источник тока, подключенный к кольцевым электродам, причем каждая из проволочек выполнена в виде спиральной винтовой линии с переменным диаметром, который в плоскостях кольцевых электродов равен диаметру этих электродов, и в отличие от прототипа в некоторой плоскости, параллельной плоскостям кольцевых электродов и находящейся между ними, диаметр винтовых линий каждой проволочки равен нулю, в то время как кривизна каждой проволочки в точке пересечения с этой плоскостью отлична от нуля.

Легко видеть, что в плоскости, в которой диаметры винтовых линий всех проволочек равны нулю, реализуется точечный контакт всех проволочек друг с другом, в месте положения которого может произойти перетяжка (как в Х-пинче), а с другой стороны, спиральность проволочек обеспечивает возбуждение током, протекающим по ним, аксиальной компоненты магнитного поля (как в S-пинче), что подавляет развитие змейковой и изгибной неустойчивостей. В связи можно предложить специальное название пинча, осуществляемого в предлагаемом - SX-пинч. Но здесь отметим, что поскольку в точке контакта проволочек между собой радиус кривизны каждой проволочки отличен от нуля, то аксиальное магнитное поле возбуждается также теми участками проволочек, которые непосредственно примыкают к точке касания, что еще больше способствует устойчивости пинча.

На чертеже показан пример устройства для осуществления SX-пинча с помощью электрически взрываемых проводников, выполненного с тремя спиральными проволочками так, что поверхность, огибающая винтовые линии составлена из двух обращенных друг к другу вершинами одинаковых прямых круговых конусов.

На чертеже обозначено: 1 - импульсный источник тока, 2 - кольцевые электроды, 3 - проволочки, X - точка перекрещивания проволочек, где возникает перетяжка.

В качестве импульсного источника тока 1 может быть выбран, например, генератор на основе плазменного прерывателя тока типа тех, что представлены в [4] (Быстрицкий В.М., Месяц Г.А., Ким А.А. и др., "Микросекундные плазменные прерыватели тока", Физика элементарных части и атомного ядра, 1992, т. 23, N 1, с. 19-57).

Проволочки 3 могут быть выполнены из любого металла, иметь диаметр в несколько единиц или десятков микрон и длину выпрямленной спирали в несколько сантиметров.

Устройство по необходимости может располагаться внутри вакуумной камеры.

Работает предлагаемое устройство следующим образом. При пропускании через проволочки импульса тока большой силы (например, величиной в 1 МА и более) происходит электрический взрыв проволочек, переход их в плазменное состояние, самосжатие (линчевание плазмы) с образованием неустойчивости типа перетяжки, которая служит, например, источником рентгеновского излучения. Перетяжка в данном случае локализована в месте точечного контакта проволочек друг с другом, а развитие змейковой и изгибной неустойчивостей подавлено аксиальным магнитным полем тока, протекающего в SX-пинче. Таким образом, техническая задача полностью решена за счет технического решения, изложенного в формуле изобретения.

Формула изобретения

Устройство для осуществления пинча с помощью электрически взрываемых проводников, содержащее кольцевые коаксиальные электроды, расположенные на расстоянии друг от друга по оси, две или более проволочек, каждая из которых одним концом контактирует с одним кольцевым электродом, а другим концом - с другим кольцевым электродом, и импульсный источник тока, подключенный к кольцевым электродам, причем каждая из проволочек выполнена в виде спиральной винтовой линии с переменным диаметром, который в плоскостях кольцевых электродов равен диаметру этих электродов, отличающееся тем, что в некоторой плоскости, параллельной плоскостям кольцевых электродов и находящейся между ними, диаметр винтовых линий каждой проволочки равен нулю, в то время как кривизна каждой проволочки в точке пересечения с этой плоскостью отлична от нуля.

РИСУНКИ

Рисунок 1