Способ получения самосжатого плазменного канала и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технике электрических газовых разрядов, создаваемых в виде канала плазмы, сжатого магнитным полем собственного электрического тока, и применяемых в рентгеновской микролитографии, нейтронографии, в исследованиях биологических микрообъектов и в других областях науки и техники. Способ получения самосжатого плазменного канала основан на электрическом разряде по газу, импульсно напускаемому в предварительно откачанную камеру. Напуск газа осуществляют в режиме неустановившегося истечения газа в вакуум, а момент подачи высокого напряжения на электроды выбирают до начала расширения истекающего газового потока. Устройство для получения самосжатого плазменного канала включает в себя вакуумированную камеру с соосными электродами, высоковольтный источник энергопитания, устройство импульсного напуска газа через канал в одном из электродов. Канал выполнен длиной, выбранной из соотношения l₀C_st, где l₀ - длина канала, С_s - скорость звука в напускаемом газе, t- время срабатывания устройства импульсного напуска газа, равное временному интервалу между моментом начала открывания газового клапана и моментом достижения его полного раскрытия. Технический результат: 100%-ная локализация тока высоковольтного энергонакопителя в самосжатом пламенном канале с радиусом порядка 1 мм и меньше. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике электрических газовых разрядов, создаваемых в виде канала плазмы, сжатого магнитным полем собственного электрического тока, и применяемых в рентгеновской микролитографии, нейтронографии, в исследованиях биологических микрообъектов и в других областях науки и техники.

Уровень техники Существует несколько способов создания самосжатых плазменных каналов. Это применение многопроволочных металлических лайнеров [1-3], быстрый импульсный напуск газа [4-6], использование электрического взрыва замороженной дейтериевой нити [7] или нити из дейтерийсодержащего материала [8]. Эти способы реализованы в устройствах, описанных в работах [1-8]. Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является способ, основанный на электрическом разряде по газу, импульсно напускаемому в предварительно откачанную камеру [6] . Устройство для реализации этого способа включает в себя вакуумированную камеру с соосными электродами, высоковольтный источник энергопитания, устройство импульсного напуска газа через канал в одном из электродов [6]. Недостатком способа и устройства-прототипа является большая расходимость газа на выходе из канала и, как следствие, большой, порядка сантиметра, радиус напускаемого газового облака. В результате при формировании самосжатого плазменного канала миллиметрового радиуса в нем концентрируется не весь ток, генерируемый высоковольтным энергонакопителем. Часть тока распределена в окружающем самосжатый канал ионизованном газе, который остается вне канала за счет неидеальной азимутальной симметрии плазменного шнура с током, сжимающегося к оси под действием пондеромоторных сил. Это ограничивает плотность энергии в самосжатом плазменном канале и снижает интенсивность генерируемого излучения.

Сущность изобретения Задачей изобретения является создание способа получения узкого плазменного канала с резким градиентом концентрации частиц и повышения за счет этого плотности энергии в нем.

Технический результат в предлагаемом способе и устройстве состоит в 100%-ной локализации тока высоковольтного энергонакопителя в самосжатом плазменном канале с радиусом порядка 1 мм и меньше.

Технический результат достигается тем, что в заявленном способе, основанном на электрическом разряде по газу, импульсно напускаемому в предварительно откачанную камеру, новым является то, что напуск осуществляют в режиме неустановившегося истечения газа в вакуум, а момент подачи напряжения на электроды выбирают до начала расширения истекающего газового потока. Благодаря заявленному режиму осуществления способа получен протяженный плазменный канал заданного диаметра.

Технический результат в заявленном устройстве достигается тем, что в устройстве для получения самосжатого плазменного канала, включающем вакуумированную камеру с соосными электродами, высоковольтный источник энергопитания, устройство импульсного напуска газа через канал в одном из электродов, новым является то, что канал выполнен длиной, выбранной из соотношения: l₀C_st, где l₀ - длина канала, C_s - скорость звука в напускаемом газе, t - время срабатывания устройства импульсного напуска газа, равное временному интервалу между моментом начала открывания газового клапана и моментом достижения его полного раскрытия.

Благодаря такому выбору длины канала существует сравнительно длительный интервал времени, когда напускаемый газовый поток имеет форму слаборасходящегося газового шнура, диаметр которого совпадает с диаметром канала.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство представляет собой герметичную разрядную камеру, состоящую из двух соосных электродов 1 и 2, разделенных изолятором 3, соединенных с высоковольтным источником энергопитания 4. В одном из электродов выполнен канал длиной l₀, соединенный с устройством импульсного напуска газа 5.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии разрядная камера откачана до давления 10^-4...10^-5 Тор. В начальный момент времени t=0 срабатывает устройство импульсного напуска 5 и рабочий газ начинает двигаться по каналу в электроде 1. В межэлектродном промежутке напускаемый газ появляется спустя время t=t_s, равное времени прохождения лидирующими газовыми частицами расстояния l₀ до выхода из канала, t_s<lС_s ^-1, C_s - скорость звука в напускаемом газе. В момент t= t_c>t_s срабатывает коммутатор высоковольтного источника энергопитания 4 и к электродам разрядной камеры 1, 2 прикладывается высокое напряжение. Происходит электрический пробой по напускаемому газу; высоковольтный источник энергопитания обеспечивает нарастание тока в образующемся самосжатом плазменном канале. Радиус канала определяется процессами в электроразрядной плазме и обычно составляет величину порядка 1 мм. Если исходный газовый шнур, формируемый с помощью неустановившегося газового истечения в вакуум, имеет примерно такой же радиус, все частицы напускаемого газа будут сосредоточены в области внутри плазменного канала. Отсутствие рабочего газа на больших расстояниях от оси исключает возможность протекания электрического тока за пределами канала. Благодаря этому обеспечивается 100%-ная локализация тока высоковольтного энергонакопителя внутри самосжатого плазменного канала.

Проведено экспериментальное подтверждение работоспособности предлагаемого способа и устройства для его реализации. Получен плазменный канал диаметром 3 мм, длиной 35 мм, формируемый лидирующими частицами неустановившегося газового истечения в вакуум. Для всех испытанных газов (дейтерий, гелий, азот, кислород, атмосферный воздух, неон, аргон, ксенон) осциллограммы тока имеют форму, характерную для самосжатых плазменных каналов. Участок нарастания тока завершается особенностью в виде резкого излома токовой кривой. Во время токовой особенности генерируется рентгеновское излучение, а при работе с дейтерием и нейтронное излучение. Момент особенности можно регулировать за счет изменения исходного давления рабочего газа в системе импульсного напуска и путем варьирования момента подачи высокого напряжения на электроды. Наибольший выход рентгеновского излучения достигается на легких газах. Излучение имеет значительную составляющую в диапазоне энергий квантов от 10 до 60 кэВ.

Источники информации 1. Clark W., Gersten M. et al. //J. Appl. Phys. 1982. - 6. - Р. 4099.

2. Deeney С., Nash T.J. et al. //Phys. Rev. E. 1997. - 5. - Р. 5945.

3. Sanford T. W. L, Nash T.J. et al. //Phys. Plasmas. 1997. - 6. - P. 2188.

4. Shiloh J., Fisher A. and Rostoker N. //Phys. Rev. Let. 1978. - 8. - Р. 515.

5. Clark W., Richardson R. et al. //J. Appl. Phys. 1982. - 8. - P. 5552.

6. Батюнин А. В. , Булатов А.Н. и др. //Физика плазмы. 1990. - 9. - С. 1027 - прототип.

7. Sethian J. D., Robson A.E. et al. //Phys. Rev. Let. 1987. - 8. - P. 892.

8. Kies W., Decker G. et al. //J. Appl. Phys. 1991. - 12. - P. 7261.

Формула изобретения

1. Способ получения самосжатого плазменного канала, основанный на электрическом разряде по газу, импульсно напускаемому в предварительно откачанную камеру, отличающийся тем, что напуск газа осуществляют в режиме неустановившегося истечения газа в вакуум, а момент подачи высокого напряжения на электроды выбирают до начала расширения истекающего газового потока.

2. Устройство для получения самосжатого плазменного канала, включающее вакуумированную камеру с соосными электродами, высоковольтный источник энергопитания, устройство импульсного напуска газа через канал в одном из электродов, отличающееся тем, что канал выполнен длиной, выбранной из соотношения

l₀>>C_s·t,

где l₀ - длина канала;

С_s - скорость звука в напускаемом газе;

t - время срабатывания устройства импульсного напуска газа, равное временному интервалу между моментом начала открывания газового клапана и моментом достижения его полного раскрытия.

РИСУНКИ

Рисунок 1