Плазменный ускоритель

Изобретение относится к плазменным ускорителям, конкретно к приборам, в которых плазма ускоряется под действием поля пондеромоторных сил, формируемых в скрещенных электромагнитных полях, создаваемых в рабочем объеме прибора. Такие приборы используются в качестве космических двигателях и в плазменных технологиях. Плазменный ускоритель содержит генератор импульсов тока, источник плазмы и спиральный электрод с высотой h_s, первый вывод которого соединен с генератором импульса тока, а второй заземлен. В ускоритель дополнительно введены первый магнитопровод в виде цилиндра высотой h₁ и радиусом R₁, расположенный соосно внутри спирального электрода с радиусом R_s, постоянный магнит в виде пустотелого цилиндра высотой h₄, с внутренним радиусом R₂ и внешним радиусом R₃, намагниченный по высоте и расположенный соосно спиральному электроду, второй магнитопровод в виде пустотелого цилиндра с внутренним радиусом R₂ и с внешним радиусом R₃, соприкасающийся с правым торцом постоянного магнита и соосно охватывающий спиральный электрод, третий магнитопровод в виде диска с радиусом R₃ и высотой h₃, соприкасающийся своей правой поверхностью с левыми торцами постоянного магнита и первого магнитопровода, третий магнитопровод имеет диэлектрический ввод для соединения первого вывода спирального электрода с генератором импульсов тока, а вышеуказанные размеры удовлетворяют соответствующим соотношениям. Технический результат - увеличение конечной скорости генерируемых плазменных потоков и увеличение энергетического КПД плазменного ускорителя. В результате предлагаемое устройство позволяет реализовать генерацию нейтронов при соударении ускоренной дейтеросодержащей плазмы с твердотельными мишенями, содержащими тяжелые изотопы водорода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к плазменным ускорителям, конкретно, к устройствам, в которых плазма ускоряется под действием поля пондеромоторных сил, формируемых в скрещенных электромагнитных полях, создаваемых в рабочем объеме прибора.

Такие устройства находят применение в качестве реактивных двигателей, используемых в космических аппаратах, а также при реализации ряда плазменных технологий (напыление пленок, ионная имплантация, обработка поверхностей, генерация нейтронов и т.д.).

Общий принцип действия плазменного ускорителя описан в работе [1], на примере плазменного двигателя, в рабочем объеме которого сформированы взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля.

В работе [2] рассмотрены конструкции плазменных ускорителей с коаксиальной системой формирования поля пондеромоторных сил, ускоряющих плазму в продольном направлении. Общим недостатком этих устройств является сравнительно малая скорость (<10⁶ м/с) ускоренных частиц плазмы, что не позволяет, например, их эффективно использовать для генерации нейтронов.

Этого недостатка лишен плазменный ускоритель, принцип действия которого описан в работе [3]. Это устройство может быть выбрано за прототип предлагаемого технического решения. Согласно прототипу плазменный ускоритель состоит из накопителя энергии в виде малоиндуктивного конденсатора, управляемого разрядника, спирального электрода, охватывающего лазерную мишень и импульсного лазера с системой синхронизации с управляемым разрядником. При работе устройства на спиральный электрод подается короткий, мощный импульс высокого напряжения, в результате чего формируются быстронарастающие скрещенные электромагнитные поля с радиальной составляющей магнитного поля и азимутальной составляющей электрического поля, создающие поле пондеромоторных сил, ускоряющих в продольном направлении плазму, образуемую при фокусировке лазерного излучения на твердотельную лазерную мишень.

Указанное устройство было изготовлено и исследовано. В результате его испытаний был выявлен существенный недостаток, связанный с низким КПД преобразования электрической энергии, запасаемой в емкостном накопителе генератора импульса тока, в кинетическую энергию ускоренной плазмы. И, как следствие, невысокая предельная скорость плазмы.

Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение конечной скорости ускоряемой плазмы и КПД преобразования запасаемой электрической энергии в кинетическую энергию плазмы.

Этот результат достигается тем, что плазменный ускоритель, содержащий генератор импульсов тока, источник плазмы и спиральный электрод с высотой h_s, первый вывод которого соединен с генератором импульса тока, а второй заземлен, дополнительно содержит первый магнитопровод в виде цилиндра высотой h₁ и радиусом R₁, расположенный соосно внутри спирального электрода с радиусом R_s, постоянный магнит в виде пустотелого цилиндра высотой h₄, с внутренним радиусом R₂ и внешним радиусом R₃, намагниченный по высоте и расположенный соосно спиральному электроду, второй магнитопровод в виде пустотелого цилиндра высотой h₂ с внутренним радиусом R₂ и с внешним радиусом R₃, соприкасающийся с правым торцом постоянного магнита и соосно охватывающий спиральный электрод, третий магнитопровод в виде диска с радиусом R₃, и высотой h₃, соприкасающийся своей правой поверхностью с левыми торцами постоянного магнита и первого магнитопровода, при этом все указанные магнитопроводы заземлены, третий магнитопровод имеет диэлектрический ввод для соединения первого вывода спирального электрода с генератором импульсов тока, а вышеуказанные размеры удовлетворяют следующим соотношениям:

При этом источник плазмы плазменного ускорителя выполнен в виде шайбы из диэлектрика с внутренним радиусом R₄ и внешним радиусом R₅, охватывающей первый магнитопровод в области левого торца второго магнитопровода, при этом на правую поверхность шайбы из диэлектрика нанесены вставки из металла, занимающие 60-80% площади этой поверхности, при условии, что

Произведен компьютерный расчет плотности тока в плазме, величины радиальной компоненты магнитного поля между первым и вторым магнитопроводами, средней энергии ускоренных в плазме ионов. В результате расчета были выявлены возможные пределы изменения всех геометрических параметров магнитопроводов, спирального электрода постоянного магнита, отраженные в неравенствах (1). В неравенствах (2) отражены возможные пределы изменения радиальных размеров шайбы из диэлектрика с учетом рассчитанных пределов радиуса Дебая образующейся на поверхности шайбы плазмы и ларморовского радиуса электронов в зазоре между спиральным электродом и поверхностью плазмы в изолирующем электроны продольном магнитном поле спирального электрода.

Устройство со схематическими разрезами представлено на Фиг. 1. Плазменный ускоритель содержит следующие позиции: 1 - первый магнитопровод в виде цилиндра высотой h₁, 2 - второй магнитопровод в виде цилиндрической трубы высотой h₂, 3 - третий магнитопровод в виде диска высотой h₃, 4 - постоянный магнит в виде отрезка трубы высотой h₄, намагниченный по высоте, 5 - спиральный электрод, расположенный соосно между первым и вторым магнитопроводами, 6 - область ускорения плазмы в форме пустотелой трубы, 7 - шайба из диэлектрика со вставками из металла на поверхности шайбы, 8 - генератор импульса тока, 9 - электрический ввод от поз. 8 к поз. 5 через третий магнитопровод.

Устройство работает следующим образом. В результате срабатывания генератора импульса тока 8 в спиральном электроде 5 возбуждается электрический ток, создающий между первым и вторым магнитопроводами переменное продольное магнитное поле. Согласно закону электромагнитной индукции в пространстве между первым магнитопроводом и спиральным электродом возникает переменное азимутальное электрическое поле, вызывающее разряд по поверхности шайбы из диэлектрика 7 с образованием плазменного облака в области этого пространства, начиная с поверхности шайбы из диэлектрика 7 со вставками из металла до выхода из плазменного ускорителя в его правой части, и возбуждение азимутального электрического тока в образующейся плазме. При взаимодействии азимутального тока в плазме и радиальной составляющей поля постоянного магнита в зазоре между спиральным электродом и первым магнитопроводом возникает вдоль оси плазменного ускорителя возникает пондеромоторная сила ускоряющая плазму

В примере конкретной реализации плазменного ускорителя в малогабаритном варианте рассчитаны следующие геометрические и электротехнические параметры: R₁=0.01 м, R₂=0.025 м, R₃=0.04 м, h₁=0.1 м, h_s=0.08 м, h₂=0.07 м, h₃=0.02 м, h₄=0,02 м, начальное напряжение га спиральном электроде U₀=50 кВ, волновое и активное сопротивление спирального электрода R=2 Ом, накопительная емкость генератора импульсов тока С₀=6.10^-8 Ф. В качестве ускоряемых микрочастиц рассматривались однозарядные ионы меди (А=64), начальная концентрация электронов плазмы выбиралась равной 10²¹ 1/м³.

Компьютерный расчет дал для средней энергии иона на выходе из рабочего объема ускорителя значение Т≈1 МэВ. Характер набора энергии вдоль высоты плазменного ускорителя прослеживается из расчетной кривой, представленной на Фиг. 2. По оси x отложена относительная высота ускорителя вдоль его оси, по вертикали - средняя энергия иона в единицах кэВ.

Увеличение предельной скорости плазмы и КПД плазменного ускорителя позволит повысить эффективность технологий плазменной обработки материалов, маневровых двигателей космических аппаратов, а также открывает возможность создания генераторов нейтронов без применения средств высоковольтной техники на полное ускорительное напряжение.

Источники информации

1. Чен Ф. Введение в физику плазмы, М., Мир, 1987, с. 26.

2. Морозов А.И. Плазменные ускорители. Физический энциклопедический словарь. М., Советская энциклопедия, 1983, с. 541-542.

3. Шиканов А.Е., Козловский К.И., Вовченко Е.Д., Лисовский М.И., Плеханов А.А., Исаев А.А. Ускорение лазерной плазмы в сильном нестационарном магнитном поле. Сборник научных трудов IV Международной конференции «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛАПЛАЗ-2018, М., НИЯУ МИФИ, 2018, с. 221-222.

4. Мельников Ю.А. Постоянные магниты электровакуумных СВЧ-приборов. М., Наука, 1986.

1. Плазменный ускоритель, содержащий генератор импульсов тока, источник плазмы и спиральный электрод с высотой h_s, первый вывод которого соединен с генератором импульса тока, а второй заземлен, отличающийся тем, что он дополнительно содержит первый магнитопровод в виде цилиндра высотой h₁ и радиусом R₁, расположенный соосно внутри спирального электрода с радиусом R_s, постоянный магнит в виде пустотелого цилиндра высотой h₄, с внутренним радиусом R₂ и внешним радиусом R₃, намагниченный по высоте и расположенный соосно спиральному электроду, второй магнитопровод в виде пустотелого цилиндра высотой h₂ с внутренним радиусом R₂ и с внешним радиусом R₃, соприкасающийся с правым торцом постоянного магнита и соосно охватывающий спиральный электрод, третий магнитопровод в виде диска с радиусом R₃ и высотой h₃, соприкасающийся своей правой поверхностью с левыми торцами постоянного магнита и первого магнитопровода, при этом все указанные магнитопроводы заземлены, третий магнитопровод имеет диэлектрический ввод для соединения первого вывода спирального электрода с генератором импульсов тока, а вышеуказанные размеры удовлетворяют следующим соотношениям:

0,10(R₂+R₃)≤R₁≤0,15(R₂+R₃),

(R₂+R₃)<h₁<3(R₂+R₃),

h₂≤h_s≤1,1h₂,

0,8R₂≤R_s≤0,9R₂,

R₁<h₃<2R₁,

0,1h₁<h₄<0,2h₁

h₄=h₁-h₂.

2. Плазменный ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что источник плазмы выполнен в виде шайбы из диэлектрика с внутренним радиусом R₄ и внешним радиусом R₅, охватывающей первый магнитопровод в области левого торца второго магнитопровода, при этом на правую поверхность шайбы из диэлектрика нанесены вставки из металла, занимающие 60-80% площади этой поверхности, при условии, что

1,1R₁≤R₄≤0,8R₅<0,7R_s.