Центробежный z-пинч
Изобретение может быть применено как импульсный источник нейтронов и рентгеновского излучения. Устройство состоит из импульсного источника питания и газоразрядной камеры с электродами и изотопами водорода. Электроды выполнены в виде коаксиальных расположенных один в другом электропроводных тел вращения с криволинейными образующими. Вокруг токоввода внутреннего электрода-анода установлен изолятор с диаметром, меньшим диаметра рабочей части анода и цилиндрической поверхностью между торцами электродов в камере. Токоввод катода - корпуса камеры размещен возле его центрального отверстия, через которое пропущены изолятор и токоввод анода. Для катода и анода зеркально симметрично выполнены дополнительные токовводы и изолятор соответственно возле дополнительного центрального отверстия катода. Два токоввода анода - трубчатые с зеркально симметричными многозаходными спиралями из наклонных прорезей, заполненных твердыми изоляторами. Спирали расположены по высоте в зонах напротив соответствующих зазоров между торцами электродов в камере. Технический результат - повышение термоядерного кпд. 1 ил.
Описываемое предлагаемое изобретение относится к плазменной технике, в частности к устройствам с конфигурацией Z-пинча, и может быть применено как импульсный источник нейтронов и рентгеновского излучения.
Известен импульсный источник рентгеновского излучения: патент RU №2315449 C1, 13.06.2006, Селемир Виктор Дмитриевич, Репин Павел Борисович, Орлов Андрей Петрович, Пикулин Игорь Валентинович «Устройство для получения плотной высокотемпературной плазмы в Z-пинче, кл. МПК H05H 1/06, опубл. в БИ №2, 2008 г., патентообладатель - Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии (RU), Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (RU) (г. Саров). Устройство содержит импульсный источник питания, вакуумированную рабочую камеру с двумя электродами. Электроды установлены на одной оси на расстоянии друг от друга. Между ними расположен осесимметричный лайнерный каскад, содержащий систему электропроводящих элементов с углом закрутки φ1 относительно оси каскада. На другом диаметре между электродами расположен коаксиально, по меньшей мере, еще один лайнерный каскад, содержащий систему электропроводящих элементов с противоположным углом закрутки φ2. Электропроводящие элементы выполнены прямолинейными или спиралевидными из проволочек, фольги, в виде напыленного на подложку металлического слоя или из их сочетания. Угол закрутки электропроводящих элементов в одном каскаде выбран равным 0<φ1≤60°, а в другом каскаде - 60°≤φ2<0°. Работает описанное устройство-аналог следующим образом. При подаче электрического напряжения от импульсного источника питания на двухкаскадную лайнерную нагрузку начинается рост тока через закрученные в противоположные стороны многопроволочные каскады. В такой конфигурации магнитное поле тока приобретает в дополнение к азимутальной компоненте аксиальную компоненту, которая в основном сосредоточена в кольцевой области между каскадами. При последующем нарастании тока происходит испарение электропроводящих элементов лайнера с образованием двухслойного плазменного лайнера. Величина разрядного тока достигает мегаамперных величин - в конкретном случае около 20 МА. В дальнейшем все увеличивающийся по двухслойной лайнерной системе ток приводит к ее ускорению в радиальном направлении к центральной оси камеры. Если, к примеру, система образована из спиральных проволочек, то по центру камеры плазменный лайнер подлетает в виде компактной двухслойного цилиндра. После срыва тока плазменный цилиндр по инерции схлопывается с переходом тепловой энергии плазмы в импульс рентгеновского излучения. Конфигурация данного цилиндрического двухслойного Z-пинча, с одной стороны, приводит к возникновению в плазменном лайнере «шира» магнитного поля (т.е. результирующие магнитные силовые линии имеют угол закрутки, меняющийся по толщине лайнерной системы) и приобретается азимутальный вращательный момент. Наличие «шира» магнитного поля и вращательного момента плазмы способствует подавлению развития разрушительных магнитогидродинамических (МГД) неустойчивостей. Данные факторы обуславливают возможность реализации высоких степеней устойчивого радиального сжатия Z-пинча в описанном аналоге с сохранением исходной аксиальной симметрии (двухслойный плазменный цилиндр и в начале пинча и в конце). С другой стороны, наличие отличительного признака - отсутствие охватываемого внутренним каскадом аксиального магнитного поля, противодействующего процессу радиальной имплозии многокаскадного цилиндрического Z-пинча, - обуславливает подтвержденный экспериментально факт роста кпд (коэффициента полезного действия) источника рентгеновского излучения.
Совокупность признаков первого аналога, сходная с совокупностью существенных признаков заявляемого устройства:
1) импульсный источник электрического питания;
2) разрядная камера с двумя электродами;
3) две многозаходные спирали, установленные по высоте в зазоре между торцами электродов в камере.
Причины, препятствующие получению требуемого технического результата от заявляемого изобретения - повышения термоядерного кпд, при реализации первого аналога следующие:
1. Две противоположно закрученные многозаходные спирали выполнены из взрывающихся в разрядной камере проволочек.
Соответственно создание «шира» магнитного поля и азимутального вращательного момента плазмы приводит к наполнению аналоговой разрядной камеры ионами из электропроводных тугоплавких материалов с большим атомным номером Z (вольфрам, к примеру). В таком случае теряет смысл ввод газообразных изотопов водорода в камеру между электродами для осуществления термоядерных реакций при Z-пинчевом разряде, так как плазма от испарившихся спиралей выступит в роли примесей, гасящих рост температуры термоядерной плазмы.
2. Коаксиальное расположение двух противоположно закрученных многозаходных спиралей и один разрядный промежуток между электродами.
Применение двух противоположно закрученных токовых спиралей создает двухслойную токово-плазменную оболочку в начале пинча. С другой стороны из-за одного разрядного промежутка между электродами токово-плазменная оболочка аналога перед кумуляцией является поверхностью одного плазменного объема - тот же цилиндр, как и в классическом Z-пинче, только вращающийся и с круговой полостью по центру. В таком случае появляется техническое противоречие - вращение от «шира» и вращательного момента у всей плазмы способствуют радиальному сжатию плазмы за счет подавления МГД-неустойчивостей и в то же время препятствует сжатию из-за появления центробежной силы и отбора энергии на создание закрутки. Для повышения кпд установки нужно, чтобы вращение плазмы использовалось не только для создания шира и вращательного момента - гашением МГД-неустойчивостей, но и непосредственно для сжатия плазмы.
Также известен импульсный нейтронный источник: а.с. №1448993, В.М. Быстрицкий, М.М. Фикс и В.Г. Толмачева «Импульсный источник нейтронов», кл. МПК H05H 5/00, опубл. в БИ №32, 1992 г. Источник с концевой закруткой плазменной оболочки в азимутальном направлении содержит герметичный корпус, в котором соосно размещены два коаксиально расположенных цилиндрических электрода, гальванически изолированных один от другого, импульсный источник тока, соединенный через коммутатор с центральным электродом - анодом, и импульсную систему напуска дейтериевого газа или плазмы. Внешний цилиндрический электрод - катод одним торцом укреплен на торцовой стенке корпуса и гальванически соединен с общей шиной. Конечный участок по крайней мере одного из цилиндрических электродов выполнен в виде многозаходной спирали, при этом угол захода спирали α, рад, длина спирального участка 1сп, м, и диаметр спирали d, м, выбран из условия: 2d≥1сп≥5·104·d·I-1·tgα, где I - ток импульсного источника тока, А. Возможен вариант источника, в котором конечный участок второго электрода также выполнен в виде многозаходной спирали, длина которого соответствует длине спирального участка первого электрода, а угол захода равен по величине и противоположен по знаку углу захода первой спирали.
Работает устройство по второму аналогу следующим образом. В начальный момент времени источник тока заряжен. Коммутатор разомкнут, все устройство откачано до рабочего вакуума, клапан импульсной системы напуска дейтериевого газа или плазмы закрыт. В необходимый момент времени срабатывает данный клапан и в область между анодом и катодом впрыскивается расчетная порция дейтериевого газа (или плазмы). Спустя расчетное и контролируемое время задержки, определяемое скоростью заполнения газом (плазмой) одного кольцевого зазора между анодом и катодом, срабатывает коммутатор и высокое напряжение поступает на анод. По аноду начинает протекать ток, создающий вокруг анода азимутальное магнитное поле. В результате электродинамического взаимодействия данного поля с плазменным током, определяемого силой Лоренца, токово-плазменная оболочка начнет перемещаться к торцу устройства, захватывая (сгребая) в этот процесс газ на ее пути и в результате ионизируя его. При поступлении на концевой участок, где катод (либо анод, либо и тот и другой) выполнен в виде многозаходной спирали, обратный ток, стекающий по спирали, создает азимутальную составляющую магнитного поля. В результате токово-плазменная оболочка приобретает начальный азимутальный момент движения, причем концевая закрутка сохраняется и при выносе плазмы за торцы электродов. После выноса плазмы за торцы электродов образуется относительно устойчивый плазменный вихрь.
За счет получения более стабильной плазменной конфигурации - нецилиндрический вихрь, во втором аналоге по сравнению с классическим цилиндрическим Z-пинчем увеличивается термоядерный кпд аналоговой установки.
Стабильность нецилиндрического вихря обусловлена следующим. Сам вихрь имеет вид своеобразного тора. Снизу этот тор ограничен кольцевой, выпуклой к плазме, токово-плазменной оболочкой, ранее выступавшей в роли магнитного поршня. Сверху плазменный тор ограничивается также кольцевой, но вогнутой к удерживаемой плазме, второй токово-плазменной оболочкой. Вторая токово-плазменная оболочка появилась в результате линчевания вылетевшей плазмы в сильноточном разряде (характерная величина разрядного тока соответствует мегаамперным значениям) с образованием единого плотного вращающегося вихря. Между собой две криволинейные поверхности вихревого плазменного тора геометрически дополнены двумя кольцевыми поверхностями. Большее кольцо соответствует контакту вихря с катодом. Кольцо меньших размеров соответствует контакту вихря у центра анода. Наличие у плазменного пинчевого вихря вращательного момента способствует гашению МГД-неустойчивостей сжимаемой и удерживаемой плазмы, по подобию как в случае работы первого аналога.
Анализ тока в плазме с винтовым магнитным полем (стр. 225-226; Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. - М.: Атомиздат, 1979. - 320 с.) свидетельствует о том, что ток в системе не сосредоточен по идеализированной геометрии пинча на поверхности плазменного сгустка, а распределен каким-либо образом по поверхностному сечению плазмоида. При этом внутри плазмы сосуществуют аксиальная и азимутальная компоненты винтового поля. Из-за того что шаг каждой магнитной поверхности в плазме различен, токовые трубки «перепутываются» при радиальном смещении (так называемый шир) и возникает стабилизирующая квазиупругая сила натяжения.
Как видно из описанного анализа, во втором аналоге также развивается шир на двух токово-плазменных оболочках плазменного вихря с его вкладом, подобно первому аналогу, в стабилизацию сжатия и удержания плазмы.
Совокупность признаков первого аналога, сходная с совокупностью существенных признаков заявляемого устройства, следующая:
1) импульсный источник электрического питания;
2) газоразрядная камера, заполненная изотопами водорода и содержащая газоразрядные электроды;
3) газоразрядные электроды выполнены в виде коаксиальных расположенных один в другом электропроводных тел вращения;
4) наружный электрод-катод, внутренний электрод-анод;
5) наличие двух противоположно-закрученных не разрушаемых во время разряда многозаходных электропроводящих спиралей.
Причины, препятствующие повышению термоядерного кпд, при работе устройства - второго аналога следующие.
1. Как и в первом аналоге, во втором аналоге центробежные силы от вращательного движение плазмы не используется для сжатия плазмы, а препятствуют пинчеванию. Правда же, отбор энергии на закрутку плазмы, в отличие от первого аналога, компенсируется взаимным притяжением однонаправленных токов на боковых - разделенных площадками электродов - поверхностях вихря. В первом же аналоге аксиальные составляющие токов, ответственные за закрутку плазмы, на боковых поверхностях цилиндра имеют противоположные направления - как у своеобразного многозаходного соленоида - и соответственно не складываются, как токи в пинче.
2. Отсутствие магнитной ямы - верхняя токово-плазменная оболочка плазменного вихря, выпуклая со стороны плазмы.
Как общеизвестно (стр. 218-219; Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. - М.: Атомиздат, 1979. - 320 с.) - для замкнутых магнитных ловушек справедлива следующая теорема. Нельзя создать такое магнитное поле, напряженность которого возрастает наружу от границы плазмы вблизи каждой точки поверхности тороидальной плазменной конфигурации. Сама плазма вследствие своего диамагнетизма стремится распространяться в сторону более слабого магнитного поля. Поэтому если поверхность плазмы удерживается магнитным полем, напряженность которого убывает от границы плазмы наружу, то положение границы плазмоида может оказаться неустойчивым. При этом для систем с плазмой низкого давления (например - токамак) данное положение - не критично.
Пинчевые системы по критерию Лоусона в принципе нельзя создать с малым давлением термоядерной плазмы.
Из-за рассмотренной выше неустойчивости магнитного удержания часть плазмы будет убывать из плазменного тора и будет происходить срыв процесса сжатия. Получается, что идея пинчевания всего 100% объема термоядерной плазмы для получения по всему объему плазмы максимальных рабочих параметров (температуры и плотности) во вращающемся нецилиндрическом Z-пинче по второму аналогу не реализуется.
3. Техническая неосуществимость варианта с фокусировкой плазмы при одном коаксиальном газоразрядном зазоре.
Так как магнитная ловушка во втором аналоге не идеальна, возможно, как вариант, применить известный изобретательский прием - обратить вред в пользу. То есть использовать целенаправленно выброс части плазмы при схлопывании незамкнутой токово-плазменной оболочки, к примеру, для фокусировку плазмы. Однако в рассматриваемом аналоге при одном коаксиальном газоразрядном зазоре возможно создание только одного целого плазменного вихря. В таком случае, с одним вращающимся плазменным сгустком при попытке организации фокусировки возникает техническое противоречие - техническая неосуществимость двух противоположных движений - центростремительного и центробежного. Так, чтобы фокусировка произошла в устройстве-аналоге токово-плазменная оболочка сгустка должна вначале схлопнуться по центральной оси анода. С другой стороны, в результате формирования и нагрева все частицы плазменного вихря приобретают вращательное движение и соответственно возникают центробежные силы, отклоняющие частицы плазмы от центральной оси анода, совпадающей с осью вращения плазменного вихря.
4. Расположение многозаходных спиралей на концах электродов.
В отличие от первого аналога во втором аналоге многозаходные электропроводные спирали для создания аксиальной компоненты магнитного поля не разрушаются во время разряда. Положительный момент от этого, применительно к термоядерной установке, понятно состоит в том, что примеси от металлов спиралей не загрязняют плазму. Но в отличие от первого аналога закрутка плазмы осуществляется только в конечной стадии пинча. Получается, что на стадии нагрева (разгона) токово-плазменной оболочки не применяется шир и азимутальный вращательный момент для стабилизации плазменных МГД-неустойчивостей.
Не решается к тому же проблема увеличения затраты энергии на паразитную индуктивность газоразрядной камеры при возрастании вкладываемой в разряд энергии. Если не принимать во внимание наличие спиральных прорезей на концах электродов, импульсного напуска рабочего газа или плазмы через быстродействующий клапан и наличие корпуса установки вместо того, чтобы катод был корпусом - установка по второму аналогу схожа по конфигурации с плазменным фокусом мейзеровского типа. Можно сказать, что обе установки принципиально, до конечной стадии, разряда работают одинаково - это коаксиальные плазменные ускорители.
У плазменного фокуса мейзеровского типа существует недостаток с электротехнической природой, заключающийся в ограничении роста тока разряда при увеличении энергетики установки при неизменном рабочем напряжении, что в итоге приводит к насыщению нейтронного выхода (стр. 5, В.Я. Никулин, С.Н. Полухин «К вопросу о нейтронном скэйлинге плазменного фокуса. Электротехнический подход». Препринт ФИАН №12, Москва 2006). Так рост энергетики при постоянном напряжении зарядки батареи сопровождается увеличением количества параллельно включенных конденсаторов, что приводит к падению индуктивности батареи. С другой стороны увеличение емкости батареи ведет к увеличению длительности разряда и к неизбежному увеличению длины электродов разрядной камеры для сохранения условия согласования момента прихода токовой оболочки к оси установки с максимумом тока. В итоге наступает момент, когда амплитуда тока уже определяется индуктивностью камеры, а не конденсаторной батареи. Более того, дальнейшее увеличение емкости батареи уже не сопровождается повышением тока разряда, вследствие увеличения индуктивности камеры. Происходит насыщение тока разряда и соответственно насыщение нейтронного выхода. Увеличение энергетики плазмофокусных установок (применительно к аналогу заявляемого изобретения можно переиначить - коаксиальных ускорителей плазмы) осуществляется, как правило, за счет увеличения емкости конденсаторного накопителя при постоянном напряжении зарядки батареи, т.е. путем увеличения количества параллельно включенных конденсаторов. Так как увеличение емкости батареи ведет к увеличению длительности разряда, то для того чтобы выполнить условие согласования динамики токово-плазменной оболочки с длительностью импульса тока - кумуляция (применительно к аналогу заявляемого изобретения - образование плазменного вихря) токовой оболочки на оси установки в максимуме тока - необходимо увеличивать длину электродов разрядной камеры, что неизбежно приводит к увеличению индуктивности камеры. Тем самым дальнейшее увеличение емкости батареи уже не сопровождается повышением тока разряда. Происходит насыщение тока разряда и соответственно насыщение нейтронного выхода.
Коаксиальным плазменным ускорителям присущ также общеизвестный недостаток - снижение амплитуды ускоряющего плазму напряжения из-за заметного приращения индуктивности рабочей камеры во время разряда, что обусловлено так таки относительно большой длиной прямолинейной траектории ускорения частиц плазмы вдоль коаксиального зазора (стр. 373-377, Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. С.Ю. Лукьянов. Монография. Главная редакция физико-математической литературы издательства. Москва, «Наука», 1975 г.).
Если рассмотреть два рассмотренных выше недостатка с позиций энергетической эффективности - подсчета термоядерного кпд установки, то тогда получается ситуация, что и до момента нейтронного насыщения рост вкладываемой энергии в плазменный ускоритель будет сопровождаться паразитными затратами электроэнергии от импульсного источника питания на пропорциональный рост индуктивности газоразрядной камеры. Имеет место техническое противоречие - чтобы вложить в разряд больше энергии, частицы плазмы должны пройти при этом более удлиненную траекторию ускорения, но при прямолинейном участке разгона размеры коаксиального ускорителя, а значит, и его паразитная индуктивность возрастают.
Решением данного технического противоречия могло бы стать придание частицам плазмы при ускорении в коаксиальном канале спирального движения. В отличие от прямолинейного движения плазмы, как во втором аналоге, спиральное движение позволило бы при той же длине электродов намного увеличить путь ускорения плазмы. Подобное явление во втором аналоге имеет место в конце пинча - частицы в образовавшемся плазменном вихре имеют пробеги, которые значительно превышают и размеры электродов, над которыми эти частицы кружатся и габариты самого тороидального вихря. Но в отличие от первого аналога спирали закрутки плазмы во втором аналоге не работают даже кратковременно в начале пинча.
В качестве прототипа по совокупности признаков, наиболее близких к совокупности существенных признаков заявляемого изобретения, выбрано устройство для получения импульсного рентгеновского и нейтронного излучения: а.с. №347006, Н.Г. Макеев, Т.И. Филиппова и Н.В. Филиппов «Плазменный источник проникающего излучения», кл. МПК H05H 1/06, опубл. в БИ №4, 1995 г. Плазменный источник проникающего излучения состоит из газоразрядной камеры, заполненной изотопами водорода и содержащей газоразрядные электроды, и импульсного источника электрического питания. Электроды выполнены в виде коаксиальных расположенных один в другом электропроводных тел вращения с криволинейной образующей, в частном случае представляющей собой напряжение эллиптической дуги с отрезком прямой, наклоненной к оси камеры. Внутренний электрод, служащий анодом, крепится на цилиндрическом вводе, окруженном изолятором. Ввод внутреннего электрода имеет диаметр, меньший диаметра рабочей части внутреннего электрода. Изолятор между электродами, выполненный, например, из алунда, имеет цилиндрическую форму. На внешнем электроде, являющемся катодом, в непосредственной близости от изолятора выполнены цилиндрические углубления. Они расположены равномерно по окружности, центр которой находится на оси камеры, и служат для привязки начала разряда с целью равномерного распределения тока в разрядной камере.
Работает устройство-прототип следующим образом. После подачи напряжения от импульсного источника на анод вблизи изолятора формируется цилиндрическая плазменная оболочка, имеющая волокнистую структуру. Под действием электродинамических сил плазменная оболочка отходит от изолятора и движется с ускорением по межэлектродному зазору к области фокусировки, которая находится на оси разрядной камеры вблизи поверхности анода со стороны камеры, противоположной изолятору. Формирующийся при разряде плазменный фокус является источником нейтронов и рентгеновских лучей.
Совокупность признаков прототипа, сходная с совокупностью существенных признаков заявляемого устройства следующая:
1) импульсного источника электрического питания;
2) газоразрядной камеры, заполненной изотопами водорода и содержащей газоразрядные электроды;
3) электроды выполнены в виде коаксиальных расположенных один в другом электропроводных тел вращения с криволинейными образующими;
4) внутренний электрод является анодом;
5) катод заодно служит корпусом камеры;
6) вокруг токоввода анода установлен изолятор, имеющий внутри камеры между торцами электродов наружную цилиндрическую поверхность с диаметром, меньшим диаметра рабочей части анода;
7) через центральное отверстие в катоде пропущены изолятор и токоввод анода;
8) токоввод катода размещен возле его центрального отверстия.
Причины, препятствующие повышению термоядерного кпд, при работе прототипа следующие.
1. Отсутствие технических средств изменяющих геометрическую структуру плазменного фокуса, которая препятствует совершенствованию плазмофокусных установок.
Как известно, механизм образования плазменного фокуса следующий. При кумуляции токово-плазменной оболочки (стр. 36-37, Никулин Валерий Яковлевич, рукопись. На правах рукописи - Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук «Сильноточный разряд типа плазменный фокус. Физические процессы и применения в технологиях». Физический институт им. П.Н. Лебедева, Москва, 2007) на оси камеры происходит быстрое сжатие (пинчевание) плазмы вблизи поверхности анода до некоторого минимального, за все время пинча, радиуса. За максимальным сжатием следует небольшое расширение пинча, а на его поверхности развивается Рэлей-Тейлоровская неустойчивость типа перетяжек с длиной волны в 2-10 раз меньше полной длины плазменного столба, приводящая к возникновению второго сжатия плазмы. Диаметр плазменного цилиндра в 1-м сжатии 0,3-1,5 см, во втором 0,1-0,5 см. За счет вытекания большой массы плазмы в процессе сжатия вверх из-за нецилиндричности оболочки и выброса по радиусу (за счет развития неустойчивостей пинча) значительная часть энергии передается малому количеству остающегося вещества. В этом магнитогидродинамическом режиме осуществляется эффективный нагрев плазмы при сжатии.
Образующаяся зона высокотемпературной плазмы является интенсивным источником излучений и названа плазменным фокусом.
Полученный плазменный сгусток - плазменный фокус имеет относительно небольшие размеры по сравнению с размерами газоразрядной камеры плазмофокусных установок.
К примеру (стр. - 5; 13, В.Я. Никулин, С.Н. Полухин «К вопросу о нейтронном скэйлинге плазменного фокуса. Электротехнический подход». Препринт ФИАН №12, Москва 2006), у установки ПФ-3 ИЯС РНЦ «Курчатовский институт» плазменный столб фокуса имеет высоту около 5 см, а максимальный диаметр пинча около 1,5 см (как сказано выше). В то же время диаметр катода (то есть - корпуса газоразрядной камеры) чуть больше одного метра и равен - 116 см, а диаметр анода равен одному метру. Правда, эти значения даны для не термоядерных режимов - без дейтерия в камере.
К тому же примеру другой источник указывает, что характерные размеры фокуса для термоядерных плазмофокусных установок (стр. 613, Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров Ред. кол. Д.М. Алексеев, A.M. Балдин, A.M. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. - М.: Большая Российская энциклопедия. Т. 3. Магнитоплазменный - Пойнтинга теорема. 1992. 672 с., ил.) лежат в пределах 0,01-3 см.
Это тоже относительно малые величины по сравнению с размерами электродов - для установки ПФ-400 Тюльпан ФИАН (стр. 45, Никулин Валерий Яковлевич, рукопись. На правах рукописи - Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук «Сильноточный разряд типа плазменный фокус. Физические процессы и применения в технологиях». Физический институт им. П.Н. Лебедева, Москва, 2007) с Филипповской геометрией диаметр катода - 50 см, а диаметр анода соответственно - 40 см.
С одной стороны, по сравнению с существующими пинчевыми системами плазменный фокус характеризуется наиболее высокой эффективностью сжатия плазмы (стр. 613, Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, A.M. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. - М.: Большая Российская энциклопедия. Т. 3. Магнитоплазменный - Пойнтинга теорема. 1992. 672 с., ил.) и соответственно большей концентрацией энергии в единице объема пинча. Так, при плоском сжатии плотность плазмы повышается примерно в 4 раза, в цилиндрической камере с учетом отражения ударной волны - в 33 раза, а в случае фокусировки в результате частичного выброса массы на ограниченном по высоте участке вдоль оси (к примеру - 5 см у установки ПФ-3) плотность повышается в 103 раз (с учетом снижения энтропии).
Данная характеристика - высокая эффективность пинчевания плазменного фокуса указывает на целесообразность введения фокусировки плазменный вихрь в газоразрядные установки по второму аналогу.
С другой стороны, если брать только саму плазмофокусную установку и сравнивать в ней величину вложенной энергии в фокус с величиной всей энергии, полученной от импульсного источника питания - конденсаторной батареи, имеют место небольшие величины.
Так разработчики и экспериментаторы говорят (стр. 109, Всесоюзный институт научной и технической информации. Итоги науки и техники. Серия Физика плазмы. Том 2. Редактор - B.Д. Шафранов. Москва. 1981) о энергосодержании фокуса порядка 10% энергии батареи.
Теоретики, говоря о плазменном сгустке, возникающем уже при втором сжатии плазмы, предсказывают (стр. 240; 243, Вопросы теории плазмы. Сб. статей. Вып. 8. Под ред. Акад. М.А. Леонтовича. М., Атомиздат, 1974, с. 384.) всего 3% вложенной энергии в фокус от величины энергии батареи.
Столь малые величины относительного энерговклада в плазменном фокусе можно объяснить малой массой плазмы в фокусе. Если в катоде сделать центральное отверстие (стр. 217-218, Л.А. Арцимович. Управляемые термоядерные реакции. Государственное издательство физико-математической литературы. Москва. 1961), а плазмофокусную установку использовать в качестве инжектора плазмы (плазменной пушки), то в результате первых экспериментов на небольших маломощных установках была получена величина массы выбрасываемого «снаряда» - плазменного фокуса, всего несколько десятых долей процента от общей массы газа в разрядной камере.
Не спасло ситуацию повышение энерговклада на последующих плазмофокусных установках.
На установках мегаджоульного диапазона наблюдаются насыщения (стр. 166-167; 173, Никулин Валерий Яковлевич, рукопись. На правах рукописи - Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук «Сильноточный разряд типа плазменный фокус. Физические процессы и применения в технологиях». Физический институт им. П.Н. Лебедева, Москва, 2007) выходов нейтронного и жесткого рентгеновского излучения. Рост энерговклада в разряд в мегаджоульных установок не сопровождается ростом проникающих излучений.
Другими словами при любой энергетике существующие плазмофокусные установки имеют относительно небольшой по размерам и энергосодержанию плазменный фокус.
Получается при работе классических плазмофокусных установок возникает техническое противоречие - с одной стороны, надо обеспечить как можно более компактную фокусировку плазмы, с другой стороны - компактный линейный пинч, получаемый при фокусировке, приводит к малым значениям процента фокусируемой плазмы, процента вкладываемой энергии в фокус и невозможность роста вкладываемой энергии в мегаджоулевых областях.
2. Наличие движения токово-плазменной оболочки от периметра анода по его верхней поверхности к центру фокусировки.
Общеизвестно, что стабилизация плазменных неустойчивостей при некоторых условиях может осуществляться самопроизвольно как переход в энергетически более выгодное состояние, когда вследствие развития неустойчивости происходит подстройка процессов переноса частиц и энергии таким образом, чтобы реализовывались устойчивые распределения тока. Такая самоорганизация плазмы наиболее отчетливо проявляется в токовых системах - токамаках и пинчах с обращенным магнитным полем (стр. 656-658, Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. - М.: Большая Российская энциклопедия. Т. 4 Пойнтинга-Робертсона-Стримеры, 1994, 704 с., ил.).
При исследовании плазменного фокуса со сферической камерой, созданного как частный случай устройства-прототипа, было установлено, что начальная фаза движения плазменной оболочки в СФК от изолятора до экваториальной зоны камеры подчиняется законам динамики оболочки в обратном Z-пинче (Разработка и исследование сферических камер с плазменным фокусом. Н.Г. Макеев, В.Г. Румянцев, Г.Н. Черемухин - страница сайта http://pandiaweb.ru/text/77/309/52969.php интернет-издания Pandia.ru). Это обеспечивает авторегулировку скорости движения различных участков оболочки и улучшает ее осевую симметрию.
В устройстве-прототипе, естественно, как и в плазменном фокусе со сферической камерой при движении токово-плазменной оболочки от изолятора к периметру эллипсоида анода, также будет наблюдаться авторегулировка скорости движения различных участков оболочки и улучшение ее осевой симметрии.
К сожалению - далее токово-плазменная оболочка начинает двигаться к центру поверхности анода с уменьшением своего радиуса и как классический Z-пинч становится подверженной плазменной неустойчивости типа перетяжки.
3. Отсутствие технических средств создания шира и азимутального вращательного момента сжимаемой плазмы.
Токово-плазменная оболочка в установках плазменного фокуса филипповского и мейзеровского типа, как общеизвестно имеет форму вогнутой со стороны плазмы поверхности. Под давлении динамического напора токово-плазменная оболочка в устройстве-прототипе тоже выпуклая навстречу сжимаемой плазмы. Получается автоматически своего рода магнитная яма, способствующая подавлению МГД-неустойчивостей на поверхности магнитного поршня.
Однако только вогнутости токово-плазменной оболочки недостаточно для устранения всех МГД-неустойчивостей, так как токово-плазменная оболочка в установке плазменный фокус и сама сжимаемая плазма имеют неоднородную структуру с разрывами плотности.
Токово-плазменная оболочка на начальных стадиях развития плазменного фокуса имеет волокнистую структуру, что в дальнейшем приводит к развитию нежелательных плазменных неустойчивостей (стр. 93-95, Всесоюзный институт научной и технической информации. Итоги науки и техники. Серия Физика плазмы. Том 2. Редактор - В.Д. Шафранов. Москва, 1981). В момент подачи высокого напряжения на анод возникает электрическое поле с максимумом на границе катод-изолятор. С этой кромки волна ионизации начинает распространяться вдоль поверхности изолятора и доходит до анодной кромки. С этого момента времени электрическое поле практически постоянно и достигает нескольких кВ/см. Газовый промежуток является омической нагрузкой, в которой продолжается рост проводимости за счет ионизации газа (дейтерия). При этом наличие небольшого градиента электрического поля при удалении от изолятора приводит к резкой неоднородности ионизации - «ионизационному скинированию тока» вблизи изолятора. В этой стадии проявляются внешние признаки газового разряда - зарождение анодных пятен, дающих начало азимутальной структуре тока (формированию токовых волокон), а также появлению поперечных страт. Эти страты соответствуют чередованию участков различной плотности и температуры вдоль токового волокна. Образовавшаяся волокнистая токово-плазменная оболочка под действием пондеромоторной силы тока начинает движение к оси установки и толкает перед собой ударную волну. В процессе движения токово-плазменная оболочка сжимается, принимает форму воронки с горловиной к аноду, и токовые волокна смыкаются. При этом образовавшиеся ранее страты могут инициировать развитие МГД-неустойчивости плазменного столба на стадии образования плазменного фокуса.
Помимо поперечных структур - страт имеются и продольные азимутальные структуры, порожденные волокнистой природой токово-плазменной оболочки, препятствующие как образованию плазменного фокуса, так и сгребанию газа токово-плазменной оболочкой к оси фокусировки (стр. 148, 149; 161, 163, Никулин Валерий Яковлевич, рукопись. На правах рукописи - Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук «Сильноточный разряд типа плазменный фокус. Физические процессы и применения в технологиях», Физический институт им. П.Н. Лебедева, Москва, 2007). Во-первых это «триаксы». На стадии, предшествующей первому сжатию, ток имеет волокнистую структуру, магнитное поле вблизи оси приобретает мультипольный характер, и на оси ПФ может возбудиться ток противоположного направления, который, замыкаясь сам на себя, образует петлю. Это приведет к торможению плазмы и образованию на какое-то время (вплоть до рассасывания и диссипации этого тока) квазиравновесной конфигурации типа «триакс» с волокнистой структурой. Во-вторых, это филаментная структура токово-плазменной оболочки. Абсолютный выход жестких излучений установок типа плазменный фокус во многом зависит от того, насколько эффективно токово-плазменная оболочка сгребает рабочий газ. Остаточный газ может вызвать вторичные пробои вблизи изолятора и тем самым зашунтировать ток, идущий через пинч. Причина образования второй токовой оболочки связана с филаментацией первой токовой оболочки, вследствие чего она не полностью сгребает рабочий газ. В свою очередь, причинами филаментации является искажение равномерности развития однородности азимутальной волокнистой структуры токово-плазменной оболочки, что обусловлено двумя причинами: наличием в токовой оболочке примесей из конструкционных материалов разрядной камеры и перегрев оболочки. Примеси уменьшают проводимость оболочки, увеличивают, разрыхляют ее скин-слой, что ведет к возникновению крупномасштабных неоднородностей. Перегрев оболочки связан с существованием предела, ограничивающего перенос энергии батареи на единицу поверхности плазменной оболочки и рабочей поверхности изолятора, выше которого развивается так называемая перегревная неустойчивость.
Некомпенсированные магнитной ямой в плазменном фокусе МГД-неустойчивости можно было бы подавить, как в устройствах-аналогах, за счет шира токово-плазменной оболочки и азимутального вращательного момента сжимаемой плазмы. Однако в установке-прототипе отсутствуют многозаходные токовые спирали для закрутки плазмы.
4. Отсутствие шира негативно отразится на сгребании рабочего газа вновь создаваемой плазмофокусной установки, если в ней будет присутствовать только движение токово-плазменной оболочки, как в обратном пинче - от центра к периметру с увеличением радиуса оболочки.
Дело в том, что в установке-прототипе токовые волокна вначале расходятся друг от друга на нижней стороне анода - как в обратном пинче, но потом все таки слипаются при фокусировке на верхней стороне анода.
Если конструктивно создать условия только для расширения зазора между волокнами оболочки - то между не спутанными прямыми волокнами будет наблюдаться просачивание сгребаемого рабочего газа.
5. Аксиальное прямолинейное движение частиц плазмы при нагреве.
Предложенная система электродов в устройстве-прототипе обеспечивает протяженную фазу ускоренного движения плазменной оболочки в коаксиальном зазоре (как у Мейзера) и быстротечную фазу радиального схождения ее к оси камеры (как у Филиппова). В то же время радиальное прямолинейное движение токово-плазменной оболочки при протяженной фазе ускоренного движения (под низом анода) приводит, как и у коаксиальных плазменных ускорителей, к снижению амплитуды ускоряющего плазму напряжения из-за заметного приращения индуктивности рабочей камеры во время разряда, что обусловлено относительно большой длиной прямолинейной траектории ускорения частиц плазмы вдоль коаксиального зазора. Подобно второму аналогу и у прототипа имеет место техническое противоречие - чтобы вложить в разряд больше энергии частицы плазмы должны пройти при этом более удлиненную траекторию ускорения, но при прямолинейном участке разгона размеры коаксиального ускорителя, а значит, и его паразитная индуктивность возрастают.
6. Уменьшение площади токово-плазменной оболочки при ее схождении к схлопыванию.
При быстротечной фазе радиального схождения к оси камеры вся токово-плазменная оболочка находится на верхней поверхности эллипсоида анода. При схождении токово-плазменной оболочки ее диаметр уменьшается - соответственно уменьшается площадь оболочки. А уменьшение площади может спровоцировать филаментацию за счет риска превышения предела, ограничивающего перенос энергии батареи на единицу поверхности плазменной оболочки, и соответственно развития перегревной неустойчивости.
7. Малая площадь контакта горловины плазменной воронки с поверхностью анода. Из-за малой площади горловины плазменной воронки происходит испарение металлической поверхности анода с выбросом полученных примесей с большим атомным номером Z в плазму, и, как результат, снижение температуры плазмы.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - с одной стороны. кардинально изменить геометрию плазменного сгустка в установке плазменный фокус и соответственно увеличить относительные величины размера, объема и вложенной энергии плазменного фокуса, а с другой стороны, компенсировать рост энергопотребления на формирование большего плазменного фокуса за счет:
1) подавления МГД-неустойчивостей плазмы путем добавления к магнитной яме плазменного фокуса шира, вращательного момента плазмы и авторегулировки скорости движения различных участков токово-плазменных оболочек при их движении перпендикулярно цилиндрической поверхности изоляторов с симметричным увеличением радиусов вихрей;
2) улучшения сгребания рабочего газа за счет шира на сгребающих токово-плазменных оболочках;
3) использования центробежных сил от вращении плазмы для сжатии плазмы;
4) авторегулировки скорости движения различных участков токово-плазменных оболочек и улучшение их осевых симметрии;
5) снижения величины паразитной индуктивности камеры и ее численного роста при пинче;
6) заметного роста площади токово-плазменной оболочки на протяжении ее существования;
7) утилизации азимутальных составляющих тока токово-плазменной оболочки для схлопывания оболочек;
8) роста во время пинча площади контакта горловины схлопывания токово-плазменных поверхностей на аноде.
Технический результат, ожидаемый от решения технической задачи при реализации заявленного изобретения - повышение термоядерного кпд газоразрядной установки с модернизированным плазменным фокусом.
Поставленная техническая задача решается благодаря установке с Z-пинчем, имеющей следующие характерные существенные признаки, совпадающие с характерными признаками устройства-прототипа:
1) импульсный источник электрического питания;
2) газоразрядная камера, заполненная изотопами водорода и содержащая газоразрядные электроды;
3) электроды выполнены в виде коаксиальных расположенных один в другом электропроводных тел вращения с криволинейными образующими;
4) внутренний электрод является анодом;
5) катод заодно служит корпусом камеры;
6) вокруг токоввода анода установлен изолятор, имеющий внутри камеры между торцами электродов наружную цилиндрическую поверхность с диаметром, меньшим диаметра рабочей части анода;
7) через центральное отверстие в катоде пропущены изолятор и токоввод анода;
8) токоввод катода размещен возле его центрального отверстия, добавлены следующие отличительные существенные признаки:
1) на катоде выполнено дополнительное центральное отверстие;
2) для катода и анода зеркально симметрично выполнены дополнительные токовводы и изолятор соответственно возле этого дополнительного центрального отверстия катода;
3) два токоввода анода выполнены трубчатыми с зеркально симметричными многозаходными спиралями из наклонных прорезей;
4) спирали расположены по высоте в зонах напротив соответствующих зазоров между торцами электродов в камере;
5) наклонные прорези спиралей заполнены твердыми изоляторами.
Совокупность всех существенных признаков модернизированной плазмофокусной установки приводит к устранению многообразия ее технических применений, что служит ключом к решению технической задачи по заявляемому изобретению. Если у классического плазменного фокуса можно проделать отверстие по центру в катоде для выстрелов плазменными столбчатыми сгустками, как снарядами в плазменном инжекторе, то в модернизированном пинче «выстрелы» производятся в виде единичных колец по круговому периметру вокруг анода. Применение модернизированного пинча в виде плазменной пушки для накачки термоядерных магнитных ловушек, плазменных выстрелов в военных электродинамических орудиях, плазменных космических ракетных движителях специально устраняется.
Чтобы сформировать в конце пинча плазменный фокус в виде кольца вокруг периметра рабочей части анода на оси зеркальной симметрии токовводов катода и анода в начале пинча, создаются по центру установки у двух изоляторов две симметричные токово-плазменные оболочки. Далее эти оболочки двигаются к периметру анода, где сталкиваются, начиная с подошв, своими боковыми поверхностями и образуют квазитороидальный пинч.
Следующие существенные отличительные признаки новой установки обеспечивают создание кольцевого фокуса:
1) импульсный источник электрического питания;
2) газоразрядная камера, заполненная изотопами водорода и содержащая газоразрядные электроды;
3) электроды выполнены в виде коаксиальных расположенных один в другом электропроводных тел вращения с криволинейными образующими;
4) внутренний электрод является анодом;
5) катод заодно служит корпусом камеры;
6) вокруг токоввода анода установлен изолятор, имеющий внутри камеры между торцами электродов наружную цилиндрическую поверхность с диаметром, меньшим диаметра рабочей части анода;
7) через центральное отверстие в катоде пропущены изолятор и токоввод анода;
8) токоввод катода размещен возле его центрального отверстия;
9) на катоде выполнено дополнительное центральное отверстие;
10) для катода и анода зеркально симметрично выполнены дополнительные токовводы и изолятор соответственно возле этого дополнительного центрального отверстия катода;
11) два токоввода анода выполнены трубчатыми.
Для ликвидации компенсации в виде роста энерговклада при увеличении габаритов нового кольцевого плазменного фокуса введены меры по подавлению МГД-неустойчивостей плазмы путем добавления к системе шира с вращательным моментом плазмы и авторегулировкой скорости аксиального движения разлетающихся симметрично и перпендикулярно от цилиндрических поверхностей изоляторов вихрей токово-плазменных оболочек, улучшения сгребания рабочего газа за счет шира токово-плазменной оболочки, использования центробежных сил от вращении плазмы для сжатии плазмы, снижения величины паразитной индуктивности камеры и ее численного роста при пинче, утилизации азимутальных составляющих тока токово-плазменной оболочки для схлопывания оболочек, а также мероприятия по снижению роста плотности энергии на поверхностях токово-плазменных оболочек и поверхности анода вплоть к моменту встречного схлопывания оболочек за счет заметного роста площади токово-плазменной оболочки на протяжении ее существования и роста во время пинча площади контакта горловины схлопывания токово-плазменных поверхностей на аноде. Другими словами, увеличена энергоэффективность нагрева плазмы для формирования плазменного фокуса.
Следует отметить, что процесс авторегулировки скорости аксиального движения разлетающихся симметрично и перпендикулярно от цилиндрических поверхностей изоляторов невращающихся токово-плазменных оболочек возникает уже при реализации описанных выше одиннадцати существенных характерных признаков заявляемого устройства.
Все описанные эффекты (кроме, естественно, - авторегулировки) для повышения энергоэффективности нагрева достигаются за счет вихревого движения двух токово-плазменных оболочек на всем протяжении их существования, начиная с образования и развития вокруг цилиндрических поверхностей изоляторов и кончая совместным столкновением со схлопыванием. Следующие существенные отличительные признаки новой установки обеспечивают энергоэффективность (в совокупности с описанными выше существенными отличительными признаками) - отсутствие роста энергозатрат на создание кольцевого фокуса:
1) два трубчатых токоввода анода выполнены с зеркально симметричными многозаходными спиралями из наклонных прорезей;
2) спирали расположены по высоте в зонах напротив соответствующих зазоров между торцами электродов в камере.
Для недопущения вторичных паразитных разрядов вокруг спиралей трубчатых токовводов анодов в модернизированную плазмофокусную установку добавлен следующий существенный признак.
1. Наклонные прорези спиралей заполнены твердыми изоляторами.
Техническое решение позволяет двум созданным токово-плазменным оболочкам двигаться по параллельным кольцевым коаксиальным каналам в виде расширяющихся двух зеркально-симметричных вихрей и ускоряться как под действием пондеромоторных сил тока, так и центробежными силами. В связи с тем, что у вращающихся токово-плазменных оболочек присутствует шир, а у сжимаемой плазмы, которая образована ударной волной от радиального движения токово-плазменных оболочек, азимутальный вращательный момент - создаются условия для гашения МГД-плазменных неустойчивостей. К тому же гашению МГД-неустойчивостей токово-плазменных оболочек в заявляемом устройстве способствует авторегулировка скорости аксиального движения их границ, возникающая при симметричном разлете перпендикулярно от цилиндрических поверхностей изоляторов вихрей этих оболочек. За счет спутанности волокон при шире улучшается сгребание рабочего газа при авторегулируемом разлете токово-плазменных оболочек. Так как частицы в токово-плазменных оболочках имеют в коаксиальном ускоряющих зазорах вихревое движение, становится возможным не увеличивать размеры установки и соответственно потери на начальную паразитную индуктивность рабочей камеры и рост этой индуктивности во время разряда. Характерно, что площадь двух токово-плазменных оболочек увеличивается, так как увеличивается их диаметр при разгоне. Поэтому условий для развития перегревной неустойчивости не наступит. На периметре одного общего для двух токово-плазменных оболочек анода передние фронты двух боковых поверхностей оболочек сталкиваются, происходит их совместное схлопывание и образование кольцевого плазменного фокуса. В результате сложения однонаправленных азимутальных составляющих тока, ответственных за вращение плазмы в вихрях, при схлопывании происходит рост импульсного магнитного поля для фокусировки пинча и таким образом компенсация снижения поступательной скорости плазмы при ее вихревом движении в кольцевых коаксиальных зазорах модернизированной установки. В связи с тем, что горловина воронки из двух боковых поверхностей встречных токово-плазменных оболочек лежит на кольцевой поверхности по всему периметру анода, а не в малой точечном пятне в центре анода, как в классической плазмофокусной установке, - испарение металла анода при кумуляции плазмы сведено к минимуму.
Суммируя вышеизложенное, в итоге имеем рост относительных величин размеров, объема и вложенной энергии плазменного фокуса без относительного роста энергозатрат на формирование новой плазменной структуры, а значит, и рост нейтронного и рентгеновского излучения при заданной энергии.
Термоядерный кпд возрастает - технический результат достигнут.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежом - Фиг. 1, на котором изображены следующие элементы:
1) катод;
2) рабочая часть анода;
3) цилиндрический изолятор между электродами;
4) трубчатый токоввод анода;
5) незамкнутый электропроводный виток многозаходной спирали;
6) изолятор соседних витков многозаходной спирали;
7) токоввод катода;
8) разрядник;
9) низкоиндуктивная высоковольтная конденсаторная батарея;
10) квазитороидальный плазменный фокус.
ω1=ω2 - соответственно равные по величине и направлению угловые скорости вращения двух зеркальных плазменных вихрей.
Пунктирными линиями показаны сечения и положения токово-плазменных оболочек при их движении от соответствующей цилиндрической поверхности изолятора к периметру анода.
Материал катода - нержавеющая сталь. Катод состоит из двух зеркальных половинок, которые соединяются между собой вакуумноплотно (на чертеже не показано).
Материал анода - электротехническая медь.
Рабочие поверхности электродов очерчены при помощи эллипсоидов вращения.
В качестве материала изолятора между электрода предлагается использовать брокерит (стр. 134-137, Балкевич В.Л. Техническая керамика: Учеб. Пособие для втузов. - 2-e изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1984. - 256 с., ил.). При нормальной температуре теплопроводность электроизоляционной керамики на основе оксида бериллия превышает теплопроводность других оксидных и керамических материалов в 7-10 раз. При нормальных условиях теплопроводность оксида бериллия превышает также теплопроводность ряда металлов (стали, никеля, молибдена, свинца и др.). Правда, с повышением температуры теплопроводность оксида бериллия, как и у другой оксидной керамики, резко падает, но и в области высоких температур (1500-1800°C) теплопроводность BeO выше теплопроводности другой оксидной керамики в 1,5-2 раза. Летучесть спеченной керамики из оксида бериллия в вакууме практически не обнаруживается до 2000-2100°C.
В свое время, когда начинала создаваться установка - плазменный фокус, было предложено заменить боковую диэлектрическую поверхность установки классического Z-пинча на медную. Из-за лучшей теплопроводности меди по сравнению с изолятором предполагалось и получилось уменьшение примесей в плазме пинча.
В заявляемой установке контакт плазмы с изолятором полностью исключить не удалось. Поэтому, по аналогии, предлагается увеличить теплопроводность одной из поверхности газоразрядной камеры. Только не методом замены диэлектрика на проводник, а увеличением теплопроводности изоляторов между электродами при применении оксида бериллия. Радиационная стойкость оксида бериллия подобную замену позволяет - оксид бериллия, как общеизвестно, хороший матричный материал для ядерного горючего.
В качестве материалов для изоляторов, заполняющих спиральные прорези на трубчатых токовводах анодов, можно использовать слюду. Гибкость слюды позволит легко заполнить криволинейные канавки прорезей. Не последний аргумент в пользу применения слюды в заявляемом устройстве - высокая радиационная стойкость слюдяных материалов.
Впрочем, в качестве материалов для изоляторов, заполняющих спиральные прорези на трубчатых токовводах анодов, можно применить и фторопласт. На спиралях токовводов добиваться вакуумной герметичности не нужно. Поэтому в отличие от твердых керамических изоляторов между электродами можно использовать для укладки в спирали гибкие диэлектрики, что технологически проще.
Работает заявляемое устройство следующим образом.
После подачи напряжения от импульсного источника через разрядник на анод вблизи двух изоляторов формируются две цилиндрические плазменные оболочки, имеющие волокнистую структуру. Под действием электродинамических сил плазменные оболочки симметрично отходят от изоляторов. Благодаря импульсному току в многозаходных спиралях двух токовводов анода оболочки приобретают к уже имеющемуся аксиальному дополнительное движение - вращательное азимутальное. За счет этого вращения волокна токово-плазменных оболочек перемешиваются с образованием шира. Два вихря раскручиваются в двух параллельных кольцевых коаксиальных зазорах между электродами. Диаметры вихрей все время увеличиваются. Образовавшаяся от двух ударных волн перед оболочками плазма приобретает вращательный момент. По истечении определенного времени токово-плазменные вращающиеся оболочки под действием пондеромоторных и центробежных сил выходят своими подошвами на периметр анода. Тут они встречно сталкиваются своими боковыми поверхностями. Геометрия камеры и индуктивность конденсаторной батареи подобраны так, что максимальный импульс тока совпадает по времени с моментом встречи поверхностей оболочек. Далее происходит схлопывание образовавшегося клиновидного кольцевого канала за счет слияния спиральных токов оболочек с вихревым вытеканием части плазмы в сторону к внутреннему периметру катода. Вихревое вытекание приводит к кумуляции плазмы. Пинчевание вытекающего пинча, по аналогии с плазменным фокусом, будет сопровождаться передачей энергии на часть плазмы - к образовавшемуся компактному плазменному сгустку - квазитору в заявляемом устройстве. Данный сфокусированный плазменный квазитор является источником нейтронов и рентгеновских лучей.
Заявляемое устройство является разновидностью нецилиндрического Z-пинча, в котором парадоксальным образом используется центробежные силы и эффекты.
По этой причине автор изобретения назвал заявляемую пинчевую установку - «центробежный Z-пинч».
Плазменный источник проникающего излучения, состоящий из импульсного источника электрического питания и газоразрядной камеры, заполненной изотопами водорода и содержащей газоразрядные электроды, выполненные в виде коаксиальных расположенных один в другом электропроводных тел вращения с криволинейными образующими, вокруг токоввода внутреннего электрода - анода установлен изолятор, имеющий внутри камеры между торцами электродов наружную цилиндрическую поверхность с диаметром, меньшим диаметра рабочей части анода, токоввод катода - корпуса камеры размещен возле его центрального отверстия, через которое пропущены изолятор и токоввод анода, отличающийся тем, что для катода и анода зеркально симметрично выполнены дополнительные токовводы и изолятор соответственно возле дополнительного центрального отверстия катода, к тому же два токоввода анода выполнены трубчатыми с зеркально симметричными многозаходными спиралями из наклонных прорезей, заполненных твердыми изоляторами, при этом спирали расположены по высоте в зонах напротив соответствующих зазоров между торцами электродов в камере.
