Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie slu¬ zace do wywolania droga indukcji elektroma¬ gnetycznej wyladowan elektrycznych o duzej mocy w gazie, bedacym pod malym cisnieniem w zamknietej komorze, najkorzystniej o ksztal¬ cie toroidalnym.Glównym zadaniem urzadzenia jest polepsze¬ nie stabilizacji tego wyladowania przez zapo¬ biezenie stykania sie zjonizowanej materii ga¬ zowej, zwanej plazma, ze sciankami komory, co mogloby spowodowac zanieczyszczenie pla¬ zmy przez wyparowujace materialy skladowe tych scianek.Stabilizacja pozwala zmniejszyc ochlodzenie plazmy i w konsekwencji podniesc jej tempe¬ rature. Jest to jeden ze znanych sposobów uzy¬ skania kontrolowanej reakcji rozpadu jadra, który wytwarza znaczna ilosc energii. W prak¬ tyce znanych jest szereg róznych urzadzen do wywolania wspomnianego wyladowania i utrzy¬ mania go w pewnej odleglosci od scianek ko¬ mory, w której wyladowanie to zachodzi.Wsród tych urzadzen bardziej znanych sa: — urzadzenie Smith'a (Physical Review, 1947, str. 71, 135), które stosuje wlasciwosci stabili¬ zacyjne pierscieniowego pólwalka metalowego, który otacza wyladowanie, przy czym ten pier¬ scieniowy pólwalek posiada izolujace napiecie promieniste dla zapobiezenia utworzenia sie zwoju krótko zwartego; — urzadzenie Bostick'a, sprawdzane w Tufts College (Nucleonics, Vol 14, nr 2, 1956, str. 44), w którym uzwojenie pomocnicze wokól pier¬ scieniowego pólwalka wywoluje w nim jedno¬ rodne pole magnetyczne, jednak w innym celu niz stabilizacja wyladowania — a mianowicieW celu obserwacji i badan nad oscylacja plazmy (Physical Review, 97, nr 1, str. 13, 1955); — urzadzenie znane pod nazwa „Perhapsatron" (Nucleonics, Vol. 15, nr 5, 1957, str. 108), w któ¬ rym.-uzwojenie indukcyjne jest utworzone ze zwojów izolowan^cn,; ulozonych równolegle we- cflug plaszczyzn równoleglych do sredniej pro¬ porcjonalnej linii okraza; -4 ur^a4zeriie Cousins'a (Proceding Physical So-clefy,l195l, $4B, str. 159), w którym uzwoje¬ nie indukcyjne jest utworzone przez pierscie¬ niowy metalowy pólwalek, który otacza wyla¬ dowanie.Urzadzenia te posiadaja szereg niedogodnosci, którymi sa miedzy innymi: niepelna stabili¬ zacja wyladowania, niedostateczna wydajnosc wyladowania z powodu duzej odleglosci obwo¬ du indukcyjnego od powstalego pradu induk¬ cyjnego (Smith — Bostick) lub bledu w zasto¬ sowaniu opornosci miedzy zródlem pradu a ob¬ wodem indukcyjnym (Counsins).Dalsza wada jest nieregularnosc pola magne¬ tycznego w sasiedztwie strefy, gdzie przewod¬ niki doprowadzajace prad lacza sie z uzwoje¬ niem indukcyjnym (urzadzenia takie jak Per¬ hapsatron, w których powloka komory nie jest metalowa). Nastepna wada jest brak szczelno¬ sci komory (urzadzenia, w których jedynie po¬ wloka metalowa zapewnia szczelnosc).W celu unikniecia tych niedogodnosci wpro¬ wadza sie do urzadzen zgodnie z wynalazkiem pierscieniowa pusta komore, której scianki sa utworzone z pancerza przewodzacego albo, co jest korzystniejsze, sa nim pokryte, przy czym pancerz ten posiada co najmniej jedno nacie¬ cie izolacyjne. Wzdluz wspomnianych scianek nawiniete jest uzwojenie stabilizacyjne, pola¬ czone ze zródlem pradu stalego, którego zwoje sa ulozone w plaszczyznach prostopadlych wzgledem sredniej proporcjonalnej wspomnia¬ nej komory.'Wedlug wynalazku uzwojenie indukcyjne jest z korzyscia utworzone przez uzwojenie polaczo¬ ne ze zródlem mogacym w bardzo krótkim czasie dostarczyc znacznej energii elektrycznej, przy czym zwoje tego uzwojenia sa ulozone w plaszczyznach równoleglych wzgledem sred¬ niej proporcjonalnej wspomnianej komory oraz sa podzielone na N sekcji zgrupowanych rów¬ nolegle, z których kazda utworzona jest przez n zwojów rozgalezionych seryjnie i pokrywa¬ jacych czesc zewnetrznej powierzchni komory p ksztalcie rury, utworzona przez czesc krzy¬ wej wodzacej tej komory, posiadajaca dlugosc N-tej czesci obwodu tej krzywej, przy czym wspomniana czescia powierzchni, w przypadku komory toroidalnej jest zwlaszcza ta czesc kola tworzacego, która zostala utworzona przez obrót luku dokola osi pólwalka, przy czym luk równa sie N-tej czesci obwodu tego kola.Ksztalt komory rurowej, w której przebiega wyladowanie, jest scisle ograniczony, wystarczy by byla ona zamknieta rura i nie posiadala zbyt ostrego wygiecia. Komore te jest najlepiej wykonac ze scislego materialu bedacego dobrym izolatorem elektrycznym, który moze byc bar¬ dzo dokladnie odgazowany i jest jak najbardziej ogniotrwaly.Do tego celu odpowiada najlepiej szklo pod nazwa Pyrex, porcelana oraz krzemionka slu¬ zaca do wyrobu szkla.Poza szczelnoscia komora ta pozwala rozdzie¬ lic potencjaly w sasiedztwie brzegów naciecia izolacyjnego, przewidzianego w pancerzu prze¬ wodzacym, a wiec unikac (spalenia) zuzycia lu¬ ków miedzy tymi brzegami.Wspomniany pancefz umieszczony na ze¬ wnatrz scianki izolacyjnej, jesli taka istnieje, posiada postac dokladnie ksztaltu tej scianki.Posiada ona naciecie izolacyjne, dla unikniecia utworzenia sie zwoju krótko-zwartego.Dla^ ujednolicenia podzialu pola w sasiedztwie naciecia, najlepiej jest pokryc je pancerzem lokalnym utworzonym przez czesc pólwalka metalowego, który izolowany jest elektrycznie wzgledem pierwszego pancerza.Wlasciwy pancerz przewodzacy moze byc wykonany na przyklad przez nawiniecie na pier¬ scieniowa komore plecionki miedzianej w dwóch krzyzujacych sie warstwach, spojonych ze soba w szeregu punktach. W innym sposobie wyko¬ nania uzywa sie poprostu uformowanej blachy metalowej, wykonej z mozliwie najlepszego przewodnika elektrycznego (miedz, aluminium).Calosc komory pierscieniowej pancerza prze¬ wodzacego moze byc równiez wykonana przy pomocy pólwalka metalowego wewnatrz ema¬ liowanego.Istnienie pancerza przewodzacego tlumaczy sie tym, ze kazde znieksztalcenie pasma plazmy powoduje pojawienie sie w pancerzu pradów indukowanych, które tworza pole magnetyczne, wywierajace na plazme sile przeciwstawiajaca sie wspomnianemu znieksztalceniu. Uzwojenie stabilizacyjne Bs (2) jest utworzone z przewodu izolowanego, którego zwoje sa nawiniete regu¬ larnie dookola pierscieniowej rury w plaszczy¬ znach prostopadlych do osi tej rury. Tego ro¬ dzaju uzwojenie Bs (2) tworzy „podluzne" pole magnetyczne, calkowicie równolegle do kierun- *- 2 —ku wyladowania, to znaczy do pasma plazmy, które jest zlokalizowane wzdluz sredniej pro¬ porcjonalnej linii okreza komory ze wzgledu na istnienie zjawiska tzw. „striction", wynika¬ jacego z przyciagania elektromagnetycznego miedzy równoleglymi liniami pradowymi.W przypadku znieksztalcenia wyladowania, wspomniane pole wywiera na nie sily, przeciw¬ stawiajace sie temu znieksztalceniu.Teoria wykazuje, ze dzialanie pola magnetycz¬ nego, utworzonego przez prady indukcyjne w metalowej powloce przeciwstawia sie glównie znieksztalceniom, których dlugosc fali jest wie¬ ksza od dlugosci sredniej proporcjonalnej linii okreza komory, podczas gdy dzialanie pola ma¬ gnetycznego utworzonego przez uzwojenie Bs (2) przeciwstawia sie glównie znieksztalceniom, których dlugosc fali jest mniejsza od dlugosci wspomnianej sredniej proporcjonalnej linii okreza komory i sa ulozone miedzy pancerzem a uzwojeniem stabilizacyjnym Bs (2). Zwoje powyzsze sa zgrupowane w N sekcji ulozonych równolegle. Kazda z tych sekcji jest utworzona z pojedynczego przewodnika, tworzacego n zwo¬ jów polaczonych w szeregu i pokrywajacego czesc powierzchni zewnetrznej pancerza prze¬ wodzacego.Iilosc n zwojów kazdej sekcji wybiera sie w ten sposób, by zródlo pradu przystosowac jak najlepiej do opornosci uzwojenia indukcyjnego Bi (1).Podzial uzwojenia indukcyjnego Bi na N sekcji, rozgalezionych równolegle, pozwala za¬ pobiec znieksztalceniom wyladowania (np. kur¬ czeniu sie czy rozszerzaniu calosci wyladowa- riia), którego dlugosc fali jest bliska do dlugo¬ sci sredniej proporcjonalnej linii okreza komo¬ ry. Jezeli wiec wyladowanie zbliza sie do jed¬ nej1 z sekcji, wynika z tego wedlug prawa Lenz'a wzrost pradu przechodzacego przez te sekcje, wzrost, który przeciwstawia sie przesu¬ nieciu wyladowania.W tych warunkach stabilizacja wyladowania jest zapewniona przez laczne dzialanie pradów plynacych w pancerzu przewodzacym, w uzwo¬ jeniu stabilizacyjnym Bs (2) i w uzwojeniu in¬ dukcyjnym Bi (1).Tego rodzaju podzial uzwojenia indukcyjnego Bi (1) nie jest niezbedny, poniewaz pancerz przewodzacy moze równiez przeciwdzialac tego typu znieksztalceniom, podzial ten jest jednak pozyteczny, poniewaz zmniejsza znacznie zada- rnia pancerza i pozwala zmniejszyc jego gru¬ bosc.Umieszczenie uzwojenia indukcyjnego Bi na powierzchni pancerza przewodzacego jest lepsze od takiego, w którym sprzezenie wraz z wyla¬ dowaniem bylo by dokonywane za posredni¬ ctwem szkieletu ferromagnetycznego, jak w zwyklym transformatorze.Na skutek powyzszego, wlasciwa samoinduk- cja wyladowania jest ograniczona do minimum, co pozwala na bardzo silne' wyladowania bez koniecznosci uzycia zbyt silnej energii o dzia¬ laniu wstecznym, a ponadto wspólczynnik wza¬ jemnej indukcyjnosci wyladowania i uzwojenia indukcyjnego Bi (1) jest maksymalny tak, ze mozna osiagnac dostateczne sprzezenie nawet bez obwodu magnetycznego.Mozna wiec przedstawic sposób dzialania przy pomocy nasycalnego obwodu magnetycz¬ nego, który odegralby role tylko podczas ulam¬ ka okresu jego dzialania. Wspomniane umiesz- czenie uzwojenia indukcyjnego pozwala na przezwyciezenie znacznych sil elektromagnes tycznych, które wytwarzaja sie miedzy prze- wodanikmi silnych pradów. W przypadku ko¬ mory pierscieniowej o postaci toroidalnej mo-- zna wykazac, ze sily elektromagnetyczne dzia* lajace na zwoje uzwojenia indukcyjnego Bi (i) przez pole wywolane w czasie wyladowania stanowia ekwiwalent cisnienia .równego cisnie¬ niu, które panuje w wyladowaniu, podzielone¬ mu przez stosunek (—),' gdzie ro przedstawia ri maly promien objetosci toroidalnej, zajetej przez tasme plazmy (lub „wyladowania"), a ri przed¬ stawia maly promien powloki toroidalnej utwo¬ rzonej przez uzwojenie indukcyjne Bi (1). Jest wiec mozliwe skoncentrowanie plazmy pod bardzo wysokim cisnieniem bez koniecznosci stawiania nierozwiazalnych problemów mecha¬ nicznych.Urzadzenie wedlug wynalazku dziala w spo¬ sób nizej opisany.Jezeli napiecie V zródla zasilajacego uzwo¬ jenie indukcyjne zostanie przylozone do zacisku tego uzwojenia, w gazie zawartym w komorze pod malym cisnieniem pojawia sie sila elektro¬ motoryczna jednorodna i równa V . n Jesli sila elektromotoryczna jest wystarczaja¬ ca powoduje ona nieprzerwane wyladowanie w gazie, mogacym byc zródlem znacznego na¬ tezenia pradu, o ile wartosc V jest wystarcza¬ jaco duza. Temperatura gazu jest wiec podno¬ szona przez zjawisko Jou-1'a do znacznej wyso¬ kosci, co ulatwia wytwarzanie sie rozpadu ja¬ drowego w tym gazie. Urzadzenie zachowujesie Jak transformator odwracalny (konwerter), którego uzwojeniem pierwotnym jest Bi, a Wtórnym tylko spirala, utworzona przez samo wyladowanie.Wyzej wspomniane zjawisko (tzw. „striction") moze samo wystarczyc do utrzymania wylado¬ wania z dala od scianek, jesli zachowany zo¬ staje nastepujacy warunek: —* 2 PKT gdzie I jest natezeniem pradu wyladowania w amperach, P — liczba calkowita czasteczek naladowanych elektrycznie na centymetr dlu¬ gosci wyladowania, K — stala Bolzmann'a = 1.380.10 — « ergów/°C, a T — temperatura bez¬ wzgledna plazmy.Urzadzenia wedlug wynalazku uzupelniaja te stabilizacje, w szczególnosci dla niedostatecz¬ nych wartosci natezenia pradu I.W ten sposób pole podluzne, utworzone przez uzwojenie stabilizacyjne Bs (2), podobnie jak pola wywolane przez prady w powloce meta¬ lowej, posiadaja oprócz roli stabilizacyjnej — wlasciwosci zwalniania przenikania plazmy ku scianom komory, przy wyeliminowaniu sily elektromotorycznej, tworzacej zjawisko tzw. „striction", Obecnosc tych pól stwarza mozliwosc ciaglego dzialania, w którym uzwojenie indukcyjne Bi(l) byloby zasilane przez zródlo pradu zmiennego pod warunkiem, ze czestotliwosc tego pradu be- dsie dostatecznie wysoka tzn., ze czas trwania kazdego cyklu, podczas którego prad w wyla¬ dowaniu jest równy zeru lub praktycznie równy zeru jest dostatecznie krótki.Przy tego rodzaju alternatywnym zasilaniu, odosobnienie przez zjawisko tzw. „striction" jest stale mozliwe, jesli warunek (I) jest srednio spelniony podczas kazdego cyklu, jesli wiec gdzie le jest skutecznym natezeniem pradu, wywolanym w wyladowaniu.Nalezy zaznaczyc, ze calkowite pole podluzne miedzy plazma a scianami komory moze w pewnych wypadkach miec kierunek przeciw¬ ny do kierunku utworzonego osobno przez uzwojenie stabilizacyjne Bs, poniewaz pole po¬ wstale dzjeki pradom indukowanym w powloce metalowej, moze w pewnych warunkach miec znaczna wartosc, — a wiec do rozpatrzenia jest jedynie zespól tych dwóch przypadków.W niektórych przypadkach obwód magnetycz¬ ny powiekszajacy wspólczynnik wzajemnej in- dukcyjnosci uzwojenia Bi i wyladowania moze byc korzystny.- Obwód ten móglby byc na przy¬ klad utworzony przez rdzen z miekkiego zela^ za, otaczajacy co najmniej czesc komory w spo¬ sób analogiczny do rdzeni, na które sa nawijane zwoje induktorów klasycznych (Bostick i in.).Plazma utrzymywana przez siec sil elektro¬ magnetycznych moze byc siedziba oscylacji przejsciowych lub nieprzejsciowyeh, powodu¬ jacych na przemian sciesnienia i rozprezania, np. na skutek wzbudzenia niestabilnosci.Oscylacje te indukuja w uzwojeniu indukcyj¬ nym Bi (lub w innym odpowiednim uzwojeniu) sile elektromotoryczna, która moze byc uzyta do ogrzewania plazmy lub do wydobycia z niej energii.Urzadzenie wedlug wynalazku przedstawia szereg korzysci w stosunku do uzywanych do¬ tad urzadzen do ogrzewania rozrzedzonych ga¬ zów do bardzo wysokich temperatur, a w szcze¬ gólnosci stabilizacje znieksztalcen wszelkich dlugosci fali wyladowania, doskonala wydaj¬ nosc dzieki zblizeniu uzwojenia indukcyjnego i wyladowania oraz dzieki przystosowaniu opor¬ nosci tego uzwojenia do opornosci zródla in¬ dukcyjnego, jednolity podzial pola w sasiedz¬ twie przeplywu pradu i naciecia, dobra szczel¬ nosc komory, mozliwosc wywolania wyladowa¬ nia pod bardzo wysokim natezeniem, przy wy¬ twarzaniu pradu indukcyjnego maszyna kla¬ syczna, poniewaz natezenie w wyladowaniu moze byc n razy wyzsze od natezenia zródla (teoria transformatorów), co ponadto zmniejsza straty w przewodnikach zasilajacych oraz mo¬ zliwosc ciaglego funkcjonowania.Nalezy zaznaczyc, ze podzial uzwojenia in¬ dukcyjnego na Nt sekcji, jak opisano powyzej, ze wzgledu na wynikajaca z tego stabilizacje moze miec pierwszorzedne znaczenie dla dlugo¬ trwalych wyladowan (np. rzedu Vio sekundy), których powloce metalowej nie byloby mozliwe dac grubosci odpowiadajacej grubosci skóry.Przypadek moze miec miejsce z chwila osia¬ gniecia temperatury powyzej 30 milionów sto¬ pni, przy której przewodnictwo plazmy bedzie wieksze niz przewodnictwo znanych metali, a w szczególnosci metalu tworzacego powloke.Teoria wykazuje, ze w tym przypadku nalezy przerwac zasilanie uzwojenia stabilizacyjnego Bs poczawszy od krótkiej przerwy czasu przed poczatkiem wyladowania, przy czym przerwa, której czas trwania t (w sekundach) jest funk¬ cja szybkosci przenikania pola magnetycznego poprzez powloke metalowa, równa sie najwyzej e2 — gdzie e jest gruboS€ia pancerza t = 4.109 5w cm, a & — wytrzymaloscia metalu, z którego pancerz jest wykonany, w oknach X em.Przyklad wykonania przedmiotu wynalazku jest uwidoczniony schematycznie na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urzadzenie do wy¬ ladowan, a fig. 2 — przekrój pionowy diame¬ tralny, z wydzieleniem czesci, tego samego urza¬ dzenia.Na figurach tych przedstawiono tylko czesc uzwojen Bi i Bs, oznaczonych odpowiednio 1 (uzwojenie i 2 uzwojenie stabilizacyjne).Komora pierscieniowa 3 jest utworzona przez powloke toroidalna, ze szkla znanego pod nazwa „Pyrex" o przecietnej srednicy 78 cm, przy czym srednica tworzacego kola pólwalka wynosi 8 cm.Wnetrze tej powloki jest polaczone z prze¬ wodem rurowym 4 o srednicy wynoszacej okolo 1,5 cm polaczonym z kolei z pompa, mogaca wytworzyc próznie wynoszaca od 3.10—3 do 10—* mm slupa rteci.Powloka jest pokryta pancerzem przewodza¬ cym 5 z plecionki miedzianej, posiadajacej na¬ ciecia 6, którego szerokosc (okolo 1 cm) jest rzedu dziesiatej czesci srednicy kola tworzace¬ go.Naciecie 6 jest pokryte pancerzem przewodza¬ cym 7, izolowanym od pancerza 5.Uzwojenie indukcyjne 1 zawiera szesc prze¬ wodników, z których kazdy jest utworzony z drutu miedzianego o srednicy 2 cm, otoczony oslona z politenu o srednicy okolo 1 cm, roz¬ galeziony równolegle do zródla pradu 8 oraz nawinietej cztery razy dookola pólwalka. Czte¬ ry zwoje kazdego przewodnika sa polaczone i zajmuja czesc powierzchni zewnetrznej pól¬ walka, utworzona przez obrót o 60° luku do¬ okola osi pólwalka.Uzwojenie stabilizacyjne Bs (2) jest utworzo¬ ne z czterech warstw, ulozonych jedna na dru¬ giej, drutów miedzianych emaliowanych, o sred¬ nicy 2 mm. Warstwy te sa uzwojone w ten spo¬ sób, ze pola magnetyczne, które one wytwarza¬ ja, dodaja sie, ale ich wspólczynniki indukcji wzajemnej z uzwojeniem indukcyjnym Bi (I) znosza sie. Praktycznie biorac drut jest nawija¬ ny zawsze w tym samym kierunku pionowo (tzn. na przyklad zawsze wzdluz czesci wiekszej sred¬ nicy pólwalka), od punktu wejscia 9 na pólwalek do jednego z brzegów naciecia 6, dalej w kierun¬ ku poziomym, — od tego brzegu do drugiego, bez przechodzenia przez naciecie, jednak omijajac prawie caly pólwalek, a nastepnie w pierwszym kierunku poziomym od tego drugiego brzegu od pierwszego itcL, az do punktu wyjsciowego 10 z pólwalka, po skompletowaniu wymienio¬ nych czterech warstw.Powloka utworzona przez uzwojenie stabili¬ zacyjne Bs (2) zawiera naciecie analogiczne do naciecia w pancerzu 5. Naciecie to musi byc izolowane elektrycznie tak, by moglo wytrzy¬ mac miedzy swymi brzegami róznice potencja¬ lu równa V (tu V), indukowanego przez uzwo- n~ T jenie indukcyjne Bi (1).Zródlo pradu 8 zawiera baterie kondensato¬ rów (na napiecie 50 K!W, q pojemnosci 60 mo- krofaradów), zasilana przez generator o wysokim napieciu. Jego wyladowanie jest rozrzedzane przez iskiernik 11 o trzech elektrodach i jest przekazywane szesciu sekcjom uzwojenia in¬ dukcyjnego Bi (1) przez szesc kabli wspólosio¬ wych 12 rozgalezionych równolegle, co zapewnia lepsza wytrzymalosc na natezenia mechaniczne i zmniejsza znacznie straty wlasne wynikle z montazu.Zródlo pradu stalego 13, bedace maszyna obrotowa (600 V —150 A) typu zwykle stosowa¬ nego, zasila uzwojenie stabilizacyjne Bs (2).Okienko obserwacyjne stanowi zwykly otwór wielkosci 5 X 20 mm2, wydrazony w pancerzu 7, na prawo od naciec, miedzy drutami uzwo¬ jenia indukcyjnego Bi, które w tym celu sa lekko rozsuniete. By ulatwic wzbudzenie prze¬ widuje sie cewke indukcyjna 14, która pobu¬ dza elektrode 15, otaczajaca zewnetrznie prze¬ wód rurowy 4 i w ten sposób jonizuje kilka czasteczek gazu, krazacego w tym przewodzie.W tym samym celu mozna tez stosowac wy¬ ladowanie pomocnicze, przewidziane miedzy elektrodami przechodzacymi przez scianke ko¬ mory przy pomocy spojen szkla z metalem lub wyrzutnie elektronów.Uklad do ssania i tloczenia 16, polaczony z przewodem 4, pozwala opróznic komore 3, od- gazowac ja oraz napelnic zadanym, gazem, W celu' pomiaru pradu wyladowania stosuje sie korzystnie dwa uchwyty amperometryczne (lub przekladniki pradowe), z których jeden uchwyt 17, otaczajacy wspólosiowe kable 12 doprowadzajace prad jest czuly na samo nate¬ zenie pradu w uzwojeniu indukcyjnym Bi (2), a drugi uchwyt 18, otaczajacy czesc pólwalka, jest czuly jednoczesnie na to natezenie i na natezenie pradu wyladowania. Dó pomiaru na¬ tezenia przeplywajacego pradu sluzy uklad po¬ miarowy 19. -5- PL