Плазменный источник излучения

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано, например, в качестве импульсного источника электромагнитного излучения и направленных потоков заряженных частиц. Плазменный источник излучения состоит из источника питания, двух коаксиальных электродов, устройства для напуска газа в область сжатия плазмы, вспомогательного и рабочего газов, причем вспомогательный газ имеет большую молярную массу, чем рабочий газ, и отличается тем, что содержит систему регулировки напуска рабочего газа, состоящую из устройства временной задержки инициации разряда и устройства накачки и контроля давления газа под клапаном устройства для напуска рабочего газа, при этом плазменный источник излучения выполнен с возможностью инициации разряда между электродами во вспомогательном газе; а с помощью системы регулировки напуска рабочего газа формируется неравномерное распределение рабочего газа, напущенного через устройство для напуска, в межэлектродном промежутке устройства. Технический результат - повышение эффективности преобразования изначально вкладываемой в устройство энергии в энергию электромагнитного излучения с сохранением спектральных характеристик излучения устройства. 2 ил.

 

Изобретение относится к плазменной технике. И может быть использовано, например, в качестве импульсного источника электромагнитного излучения и направленных потоков заряженных частиц.

Известен ряд плазменных источников электромагнитного излучения, основанных на так называемых разрядах с плазменным фокусом (ПФ) в которых, под действием собственного магнитного поля тока, текущего в разрядном контуре устройства, происходит ускорение, сжатие и разогрев плазмы, являющейся мощным источником излучения.

Подобные устройства подробно описаны в работе «А review of the dense Z-pinch», M G Haines, Plasma Phys. Control. Fusion, 2011, vol. 53, 093001, p. 113-119, они состоят из источника питания и двух коаксиальных электродов, разделенных изолятором, между которыми происходит генерация плазмы, ее ускорение и сжатие на оси электродной системы устройства под действием собственного магнитного поля тока, текущего в разрядном контуре устройства, что приводит к генерации этой плазмой электромагнитного и корпускулярного излучения.

Недостатком данного типа устройств является то, что на генерируемое излучение приходится лишь малая доля от изначально вкладываемой в устройство энергии.

В качестве прототипа по наибольшему количеству совпадающих конструктивных признаков принят плазменный источник излучения (см. статью «Стабильный пинч в установке плазменный фокус "SPEED-2"», В. Кис и др., Письма в ЖТФ, 1999, том 25, вып.20, с. 5-12), состоящий из источника питания, двух коаксиальных электродов, разделенных изолятором, по поверхности которого инициируется плазменный разряд, который далее развивается в атмосфере дейтерия; синхронизованно с разрядом в дейтерии с помощью быстрого клапана происходит напуск тяжелого газа через отверстие в электроде так, что инжектированный газ формирует струю вдоль оси, перпендикулярной поверхности электрода. В прототипе рабочим газом является газ дейтерий, обеспечивающий необходимые спектральные характеристики устройства, а вспомогательным газом является инжектируемый тяжелый газ, позволяющий получать различные режимы сжатия плазмы на финальном этапе протекания разряда.

К недостаткам данного устройства относится то, что при повышении максимальной изначально вкладываемой энергии в устройство за счет увеличения емкости конденсаторной батареи уменьшается эффективность ее преобразования в энергию излучения.

Электрическая энергия W, запасенная в конденсаторной батарее источника питания источника электромагнитного излучения на основе ПФ определяется выражением:

где С - емкость конденсаторной батареи, a U - напряжение, до которого эта батарея заряжена.

Как правило, для увеличения энерговклада в устройство увеличивают емкость батареи. Однако при этом сжатие плазмы происходит раньше, чем ток в контуре достигает своего максимального значения, поэтому энергия, вкладываемая в устройство, расходуется неэффективно, и интенсивность излучения оказывается ниже ожидаемой.

Техническим результатом данного изобретения является повышение эффективности преобразования изначально вкладываемой в устройство энергии в энергию электромагнитного излучения с сохранением спектральных характеристик излучения устройства.

Технический результат достигается тем, что плазменный источник излучения состоит из источника питания, двух коаксиальных электродов, устройства для напуска газа в область сжатия плазмы, вспомогательного и рабочего газов, причем вспомогательный газ имеет большую молярную массу, чем рабочий газ, и отличается тем, что содержит систему регулировки напуска рабочего газа, состоящую из устройства временной задержки инициации разряда и устройства накачки и контроля давления газа под клапаном устройства для напуска рабочего газа, при этом плазменный источник излучения выполнен с возможностью инициации разряда между электродами во вспомогательном газе; а с помощью системы регулировки напуска рабочего газа формируется неравномерное распределение рабочего газа, напущенного через устройство для напуска, в межэлектродном промежутке устройства.

Для максимальной эффективности работы устройства необходимо, чтобы в момент времени τ, соответствующий максимальному сжатию плазмы и определяемый скоростью движения плазменной оболочки, вся запасенная электрическая энергия была преобразована в устройстве в энергию сжимающего плазму магнитного поля:

где L - индуктивность разрядного контура устройства, I - сила тока, текущего в этом контуре. Условие (2) выполнится через четверть периода колебания тока в разрядном контуре устройства:

Следовательно, для выполнения условия максимальной эффективности работы устройства необходимо, чтобы момент максимального сжатия плазмы τ происходил через четверть периода колебания тока в разрядном контуре -

это так называемое условие согласования ПФ по току.

При увеличении емкости конденсаторной батареи увеличивается период колебания тока (3). Для выполнения условия согласования ПФ по току в устройстве используется «замедление» движения плазменной оболочки путем использования в промежутке между электродами вспомогательного газа с большей молярной массой, чем рабочий газ, а через устройство напуска газа в область максимального сжатия плазмы инжектируется рабочий газ.

На фиг. 1 представлена схема плазменного источника излучения в продольном разрезе.

На фиг. 2 представлен результат моделирования распределения доли вспомогательного газа в общей концентрации частиц вдоль оси устройства.

Принятые обозначения:

1 - Электроды устройства.

2 - Межэлектродный промежуток.

3 - Плазменная оболочка в различные моменты времени с указанным направлением протекания тока.

4 - Источник питания.

5 - Место инициации разряда (изолятор).

6 - Резервуар с рабочим газом.

7 - Устройство для напуска газа.

8 - Струя рабочего газа.

9 - Область максимального сжатия плазмы.

10 - Система регулировки напуска рабочего газа.

11 - Устройство накачки и контроля давления газа под клапаном.

12 - Устройство временной задержки инициации разряда.

Устройство состоит из двух коаксиальных электродов 1, разделенных межэлектродным промежутком 2. Электроды подключены к источнику питания 4, способному выдавать напряжения до десятков киловольт при токах, текущих в разрядном контуре устройства и достигающих величин до единиц мегаампер. Межэлектродный промежуток 2 заполнен вспомогательным газом при давлении ~0,01÷50 торр. В заранее заданном месте инициации разряда 5 (например, на изоляторе 5, разделяющем электроды устройства 1) формируется плазменная оболочка 3, в дальнейшем движущаяся к оси устройства. На фиг. 1 на плазменной оболочке 3 стрелками показано направление разрядного тока, текущего в плазменной оболочке 3. На одном из электродов 1 вблизи области максимального сжатия плазмы 9 установлено устройство для напуска газа 7, состоящее из одного или нескольких сопел и быстродействующего клапана, подключенное к резервуару с рабочим газом 6 под давлением ~2÷200 атмосфер. С помощью системы регулировки напуска рабочего газа 10, состоящей из устройства накачки и контроля давления газа под клапаном 11 и устройства временной задержки инициации разряда 12, задается распределение напущенного из устройства для напуска газа 7 рабочего газа в межэлектродный промежуток 2 устройства. Спектральные характеристики излучения устройства соответствуют таковым для рабочего газа. При этом молярная масса вспомогательного газа больше, чем молярная масса рабочего газа.

Устройство работает следующим образом. После подачи в разрядную цепь устройства электрического импульса от источника питания 4 в заранее заданном месте 5 межэлектродного промежутка 2 между электродами устройства 1 формируется плазменная оболочка 3. Далее, под давлением магнитного поля:

где В - величина магнитной индукции поля, μ₀ - магнитная постоянная, плазменная оболочка 3 начинает ускоренное движение по направлению к области максимального сжатия плазмы 9 на оси устройства.

На этом этапе движения плазменной оболочки 3 плазмообразующим веществом является вспомогательный газ. За счет его большей молярной массы плазменная оболочка 3 движется с меньшей скоростью, чем в случае, если бы плазмообразующим веществом был рабочий газ, и условие согласования устройства по току (4) может быть выполнено при большем начальном энерговкладе, т.е. при увеличенной электроемкости конденсаторной батареи.

Синхронизованно с подачей в разрядную цепь устройства импульса от источника питания 4 открывается клапан устройства для напуска газа 7, и через сопло устройства для напуска газа 7 происходит напуск струи рабочего газа 8 в область максимального сжатия плазмы 9. По мере приближения плазменной оболочки 3 к области максимального сжатия плазмы 9 вспомогательный газ в плазменной оболочке 3 замещается на рабочий газ из напущенной из устройства для напуска газа 7 струи рабочего газа 8, и плазмообразующим веществом излучающей из области максимального сжатия 9 плазмы является рабочий газ, обеспечивающий требуемые спектральные характеристики излучения устройства.

Необходимо отметить, что характер распределения в межэлектродном промежутке 2 напущенного из устройства для напуска 7 рабочего газа определяет, какую часть времени работы устройства плазменная оболочка 3 движется в материале вспомогательного газа, и какую часть времени она движется в материале рабочего газа. Таким образом, для каждого реально созданного устройства возможно добиваться выполнения условия согласования по току (4) с высокой точностью, путем задания оптимального времени задержки между открытием клапана устройства для напуска газа 7 и подачей импульса тока от источника питания 4 в разрядный контур устройства, и путем задания давления рабочего газа под клапаном устройства для напуска газа 7. То есть, используя систему регулировки напуска рабочего газа 10, состоящую из устройства накачки и контроля давления газа под клапаном 11 и устройства временной задержки инициации разряда 12. Как правило, открытие клапана устройства для напуска газа 7 происходит за 100÷1000 мкс до подачи импульса от источника питания 4, это время задержки задается устройством временной задержки инициации разряда 12. Устройство временной задержки инициации разряда 12 может представлять собой генератор задержанных электрических импульсов (например, тип ГЗИ-6 или аналогичный). Чем больше временной интервал между открытием клапана устройства для напуска рабочего газа 7 и инициацией разряда, тем больший объем межэлектродного промежутка 2 будет заполнен более легким рабочим газом, и тем быстрее будет происходить схождение плазменной оболочки 3 к области максимального сжатия плазмы 9.

Давление рабочего газа под клапаном устройства для напуска газа 7 задается устройством накачки и контроля давления газа под клапаном 11, оно может состоять, например, из манометра, контролирующего давление рабочего газа под клапаном устройства для напуска газа 7, и редукционного газового клапана, регулирующего давление рабочего газа, поступающего из резервуара с рабочим газом 6. Чем выше давление рабочего газа под клапаном устройства для напуска газа 7, тем больше масса и выше скорость напущенного в межэлектродный промежуток 2 рабочего газа, тем больший объем межэлектродного промежутка 2 будет заполнен более легким рабочим газом, и тем быстрее будет происходить схождение плазменной оболочки 3 к области максимального сжатия плазмы 9.

Таким образом, с помощью системы регулировки напуска рабочего газа 10 в устройстве задается взаимное распределение вспомогательного (с большей молярной массой) и рабочего (с меньшей молярной массой) газов. Такое оптимально заданное распределение, определяет время схождения плазменной оболочки 3 к области максимального сжатия плазмы 9, и позволяет добиваться выполнения условия согласования по току (4) с высокой точностью для любой геометрии рабочей камеры плазменного источника излучения.

При схождении плазменной оболочки 3 к области максимального сжатия 9 под давлением магнитного поля (5) могут достигаться концентрации плазмы выше 10¹⁹ частиц/см³ и температуры плазмы выше 1 кэВ, вследствие этого область максимального сжатия плазмы 9 является интенсивным источником электромагнитного излучения.

Авторами данного устройства проведено математическое моделирование напуска струи рабочего газа 8 с меньшей молярной массой в межэлектродный промежуток 2, заполненный вспомогательным газом с большей молярной массой. На фиг. 2 представлено промоделированное распределение доли рабочего газа в общей концентрации частиц вдоль оси устройства. Соотношение молярных масс вспомогательного и рабочего газов - 33:1, время напуска рабочего газа (время, прошедшее после открытия клапана устройства для напуска газа 7) - 300 мкс, давление рабочего газа под клапаном устройства для напуска газа 7-50 атмосфер. Из результатов моделирования следует, что в области максимального сжатия плазмы 9 концентрация рабочего газа примерно на три порядка превышает концентрацию вспомогательного газа, и, следовательно, спектральные характеристики излучения устройства будут определяться рабочим газом. Возможность формирования и движения плазменной оболочки 3 в устройствах данного типа в материале одного газа, а сжатие плазмы в материале другого газа подтверждено экспериментально авторами устройства, описанного в работах «Стабильный пинч в установке плазменный фокус "SPEED-2"», В. Кис и др., Письма в ЖТФ, 1999, том 25, вып.20, с. 5-12 и «Pinch modes produced in the SPEED2 plasma focus», W Kies и др., Plasma Sources Sci. Technol., 2000, том 9, с. 279-287.

Также эта возможность экспериментально подтверждена авторами настоящего устройства. На аналогичной установке с плазменным фокусом проводились эксперименты по напуску струи дейтерия (являвшегося рабочим газом) в межэлектродный промежуток, заполненный гелием (вспомогательным газом), и помимо электромагнитного регистрировалось нейтронное излучение плазмы разряда. В случае если в момент максимального сжатия плазмы концентрация гелия в ней соизмерима с концентрацией дейтерия, нейтронное излучение будет отсутствовать полностью. В экспериментах же по напуску струи дейтерия в гелий при правильно подобранном времени задержки между открытием клапана и подачей импульса тока в разрядный контур устройства интенсивность нейтронного излучения уменьшалась не более чем на порядок, что соответствует статистической погрешности работы подобного типа устройств.

Итак, для повышения эффективности преобразования изначально вкладываемой в устройство энергии в энергию электромагнитного излучения необходимо, чтобы выполнялось условие согласования устройства по току (2). Для этого движение плазменной оболочки 3 «замедляется» за счет того, что она образуется и движется в материале вспомогательного газа с большей молярной массой, чем у рабочего газа. Для сохранения спектральных характеристик излучения устройства в область максимального сжатия плазмы 9 с помощью устройства для напуска газа 7 и системы регулировки напуска рабочего газа 10 подается струя рабочего газа 8, и сжатие плазмы идет в материале рабочего газа, обеспечивающего требуемые спектральные характеристики излучения. Таким образом достигается заявленный технический результат, а именно повышается эффективность преобразования изначально вкладываемой в устройство энергии в энергию электромагнитного излучения с сохранением спектральных характеристик устройства.

Плазменный источник излучения, состоящий из источника питания, двух коаксиальных электродов, устройства для напуска газа в область сжатия плазмы, вспомогательного и рабочего газов, причем вспомогательный газ имеет большую молярную массу, чем рабочий газ, и отличающийся тем, что

содержит систему регулировки напуска рабочего газа, состоящую из устройства временной задержки инициации разряда и устройства накачки и контроля давления газа под клапаном устройства для напуска рабочего газа,

при этом плазменный источник излучения выполнен с возможностью инициации разряда между электродами во вспомогательном газе;

а с помощью системы регулировки напуска рабочего газа формируется неравномерное распределение рабочего газа, напущенного через устройство для напуска, в межэлектродном промежутке устройства.