Способ получения быстрых потоков плазмы
Использование: в плазменной и ядерной технике, может применяться для инжектирования потоков плазмы в термоядерных ловушках, а также в плазменной технологии. Сущность изобретения: способ получения быстрых потоков плазмы включает напуск газа в область формирования плазмы, ионизацию газа, индуцирование в плазме токов путем изменения внешнего магнитного поля, пронизывающего плазму, и ускорение плазмы при воздействии на нее внешним магнитным полем. Индуцирование токов осуществляют изменением величины или направления магнитного поля на противоположное. Ускорение плазмы осуществляют после задержки плазмы в области ее формирования в течение времени индуцирования токов. Использование изобретения позволяет повысить эффективность ускорения потоков плазмы за счет уменьшения потерь и увеличения энергии ускоренных частиц. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к плазменной и ядерной технике и может быть использовано в устройствах инжектирования плазмы в термоядерные ловушки, в плазменной технологии. Изобретение также относится к космической технике и может быть использовано в электрореактивных двигательных установках.
Известен способ получения быстрых частиц (ионов, атомов, молекул) (Семашко Н. Н. и др. Инжекторы быстрых атомов водорода. М. Энергоатомиздат, 1981), заключающийся в получении ионов рабочего вещества, их ускорении в электростатических полях и последующей перезарядкой (нейтрализацией) на перезарядных мишенях. Однако такой способ имеет ограничение на интенсивность выходного потока частиц и невысокий КПД. Известен способ получения высокоэнергичных частиц (Саранцев В.П. Перельштейн Э. А. Коллективное ускорение ионов электронными кольцами. М. Атоимиздат, 1979), заключающийся в формировании заряженного электронного кольца тороидальной формы, его частичную загрузку тяжелыми частицами (ионами) и последующим ускорением кольца, суммарный заряд которого отрицательный, во внешних электрических и магнитных полях. Однако, такой способ имеет малое число ускоренных частиц, малый КПД и большую техническую сложность реализации. Наиболее близким к изобретению является способ индукционного ускорения плазмы (Шпигель И.С. Ускорение плазмы. Журнал экспериментальной и теоретической физики. М. Издательство АН СССР, 1959, Т. 36, В.2, С. 411; патент ФРГ N 1220530, H 05 H 1/00, публикация 1966), включающий напуск газа в область формирования плазмы, ионизацию газа, индуцирование в образовавшейся плазме токов путем изменения внешнего магнитного поля, пронизывающего плазму, воздействие на плазму, обеспечивающее ее пространственную задержку и ускорение плазмы при воздействии на нее внешнего поля. Ускорение является результатом взаимодействия азимутальных плазменных токов с радиальной компонентой магнитного поля, приводящее к возникновению сил Ампера-Лоренца, действующих в аксиальном направлении. Основные недостатки способа низкий КПД (5-10%) и малая энергия частиц плазмы на выходе ускорителя. Причина этого заключается в том, что коэффициент преобразования (КП) энергии накопителя в энергию плазмы в существующем способе слишком мал. При протекании тока через индуктор, плазма, двигаясь с большим ускорением, слишком быстро отходит от витка. Более того, взаимодействие индукционных плазменных токов с аксиальной компонентой магнитного поля приводит к сжатию плазмы к оси, аналогично сжатию плазмы в индукционных пинчах. Оба фактора приводят к тому, что в плазму может передаваться лишь малая часть запасенной энергии. Целью изобретения является повышение эффективности ускорения за счет увеличения КП и КПД и многократного увеличения энергии ускоренных частиц. Поставленная цель достигается тем, что в способе получения быстрых потоков плазмы, включающем напуск газа в область формирования плазмы, ионизацию газа, индуцирование в плазме токов путем изменения внешнего магнитного поля, воздействие на плазму, обеспечивающее ее пространственную задержку и ускорение плазмы при воздействии на нее внешним магнитным полем, ускорение плазмы осуществляют после задержки плазмы в области ее формирования в течение времени индуцирования токов. Кроме того, индуцирование токов осуществляют изменением величины магнитного поля. Кроме того, индуцирование токов осуществляют изменением направления магнитного поля на противоположное. На фиг. 1 представлено начальное состояние плазмы; на фиг. 2 конечное; на фиг. 3 схема устройства, с помощью которого может быть реализован способ; на фиг. 4 схема согласования магнитного поля инжектора по магнитному полю термоядерного реактора. Способ заключается в следующем. В область формирования плазменного сгустка, образованную внешним магнитным полем Bнач (фиг. 1) напускают рабочий газ. После того, как газ заполнит всю область формирования, но еще не успеет расшириться в область ускорения, производят ионизацию нейтрального газа, в результате чего образуется хорошо проводящая плазма, захватывающая начальный магнитный поток. Затем уменьшают величину магнитного поля до нуля, меняют направление на противоположное, после чего увеличивают до значения Bкон (фиг. 2). В процессе изменения поля меняется и магнитный поток, пронизывающий плазменный сгусток, поэтому в плазме индуцируются токи. На протяжении всего времени индуцирования токов осуществляют задержку плазмы в области формирования, например, с помощью магнитного поля, препятствующего выходу сгустка в зону ускорения. Аксиальная компонента внешнего магнитного поля, взаимодействуя с индукционными плазменными токами, стремится сжать плазму к оси, в то время как силы собственного электродинамического расталкивания токов стремятся его расширить. Поскольку в плазме существует вмороженный магнитный поток, сила расталкивания может уравновесить силу сжатия. Возникает антикомпрессия, при которой равновесный радиус сгустка не уменьшается до газокинетического, а изменяется в соответствии с законом где rнач, rкон начальный и конечный радиусы плазменного сгустка; Bнач, Bкон начальное и конечное значения индукции внешнего магнитного поля; <1 числовой коэффициент, зависящий от формы плазменного сгустка. После того, как изменение магнитного поля завершено, плазма обладает запасом индуктивной потенциальной энергии В этот момент осуществляют ускорение плазмы, воздействием радиальной компоненты внешнего магнитного поля. Сгусток выводится в область ускорения, где движется под действием силы Ампера Fz = 2rплIплBr (3) Аксиальные тяговые силы достигают огромных значений: на каждый ион действует сила с эффективной напряженностьюNi число ионов в сгустке, ve азимутальная скорость электронов в плазме на равновесной орбите. Эта сила возникает при поляризации плазмы и обусловлена частичным разделением электронной и ионной компонент, вследствие действия на электроны, со стороны внешнего магнитного поля осевых сил Лоренца Fe= eveBr. В предельном случае бетатронного режима ve=c и при Br=1 Тл Eiэфф= 3108 В/м. В процессе движения вдоль оси системы индуктивная энергия плазменных токов трансформируется в кинетическую энергию направленного движения частиц, образующих плазму. Полная трансформация происходит, если в момент завершения ускорения ток плазменного сгустка равен нулю, то есть выполнено условие согласования. Пример. На фиг. 3 приведено одно из возможных устройств, с помощью которого может быть реализован заявляемый способ. Оно содержит вакуумную камеру 1, образованную цилиндрической трубкой 2 (область ускорения) и силовой разрядный виток 3 (индуктор), помещенный внутрь магнитной катушки 4 (область формирования). К вакуумной камере примыкает система для напуска рабочего газа 5. Устройство также содержит вспомогательный разрядный виток 6, энергетические накопители C0, C1, C2, соединенные с управляемыми разрядниками P0, P1, P2 и схему питания и управления 7. Способ осуществляют следующим образом. В область формирования плазменного сгустка осуществляют напуск рабочего газа. Путем разряда накопителя C2 на катушку 4 с последующим ее соединением накоротко, в камере создается магнитное поле B1, имеющее пробную конфигурацию. Далее производят разряд основного накопителя C0 на силовой виток 3 (индуктор), создавая магнитное поле B2. В момент, когда индукционное поле достигает максимального значения, газ ионизируют любым известным способом. Начальные направления полей B1 и B2 могут как совпадать, так и быть противоположными. В первом случае суммарное начальное магнитное поле Bнач= B1+B2max во втором Bнач=B1+B2max (фиг. 3), причем B2max>B1. В следствие дальнейшего уменьшения индукционного поля, суммарное уменьшается до нуля, меняет направление на противоположное и возрастает до Bкон= B1-B2max в первом случае, или до Bкон=B1+B2max во втором. В процессе такого изменения в плазме индуцируются токи и запасается энергия, причем в течение всего времени изменения магнитного поля сгусток находится в области формирования. Выходу плазмы в зону ускорения препятствует пробочное магнитное поле катушки. Для ускорения осуществляют разряд накопителя C1 на вспомогательный виток 6. Плазма выходит из магнитной потенциальной ямы и начинает ускорение под действием всех трех полей: поля катушки, индуктора и вспомогательного витка. При движении во внешних полях магнитная энергия индукционных токов переходит в кинетическую энергию направленного движения частиц плазмы. Для полной трансформации необходимо согласование полей. Если, например, плазма инжектируется в термоядерный реактор (фиг. 4), то начальное поле в инжекторе должно быть приблизительно равно полю реактора и иметь с ним одно направление (то есть поле катушки B1, инжектора на фиг. 3, противоположно реакторному полю B3). Приведем численный пример. Пусть энергозапас основного накопителя W=10 кДж, число ионов в плазме Ni=1017, тогда при КП = 0,2 энергия инжектируемых частиц составит Wi = W/Ni = 125 кэВ Остальная часть неизрасходованной энергии ~ (1-)W возвращается обратно в накопитель посредством колебательного процесса в цепи накопитель-индуктор и используeтся в следующих циклах ускорения.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4