RU204110U1 - IMPULSE GENERATOR OF NARROW DIRECTIONAL PLASMA FLOW - Google Patents
IMPULSE GENERATOR OF NARROW DIRECTIONAL PLASMA FLOW Download PDFInfo
- Publication number
- RU204110U1 RU204110U1 RU2020143080U RU2020143080U RU204110U1 RU 204110 U1 RU204110 U1 RU 204110U1 RU 2020143080 U RU2020143080 U RU 2020143080U RU 2020143080 U RU2020143080 U RU 2020143080U RU 204110 U1 RU204110 U1 RU 204110U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- spiral solenoid
- spiral
- solenoid
- laser
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H5/00—Direct voltage accelerators; Accelerators using single pulses
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к генераторам плазменных потоков, конкретно, к области техники конструирования устройств, в которых создаются узконаправленные плазменные потоки вдоль оси прибора. Такие устройства могут найти применение в плазменных технологиях, а также в системах инжекции ускорителей ионов.Технический результат устройства заключается в увеличении контрагирующего (фокусирующего) воздействия магнитного поля на плазменный поток и, как следствие, в уменьшении его выходной апертуры. Этот результат достигнут тем, что в известном устройстве, содержащем генератор импульса тока 1, включающем накопительную емкость С и коммутатор S, а также спиральный соленоид 3 и источник лазерной плазмы, состоящий из плазмообразующей мишени 4, фокусирующего устройства 5 и импульсного лазера 6, между генератором импульса тока 1 и спиральным соленоидом 3 установлен резистор 2 величиной R, удовлетворяющей условиям:где μ0- магнитная постоянная, G - объем спирального соленоида 3, Н - длина спирального соленоида 3, а N - число витков спирального соленоида 3, находящееся в пределах:при этом параметры G, Н, N спирального соленоида 3 удовлетворяют следующим соотношениям:где L - индуктивность спирального соленоида 3, а пробойное напряжение Uпрнакопительной емкости С генератора импульсного тока 1 выбрано в пределах, удовлетворяющих следующим условиям:Также в предлагаемом импульсном генераторе узконаправленного плазменного потока установлен прозрачный для лазерного излучения изолятор 7 в виде полого цилиндра для предохранения от электрических пробоев между витками спирального соленоида 3.The utility model relates to generators of plasma streams, in particular, to the field of engineering design of devices in which narrowly directed plasma streams are created along the axis of the device. Such devices can find application in plasma technologies, as well as in injection systems of ion accelerators. The technical result of the device is to increase the contractive (focusing) effect of the magnetic field on the plasma flow and, as a consequence, to decrease its output aperture. This result is achieved by the fact that in a known device containing a current pulse generator 1, including a storage capacitor C and a switch S, as well as a spiral solenoid 3 and a laser plasma source consisting of a plasma target 4, a focusing device 5 and a pulsed laser 6, between the generator current pulse 1 and spiral solenoid 3, resistor 2 is installed with a value of R that satisfies the conditions: where μ0 is the magnetic constant, G is the volume of spiral solenoid 3, H is the length of spiral solenoid 3, and N is the number of turns of spiral solenoid 3, which is within: the parameters G, H, N of the spiral solenoid 3 satisfy the following relations: where L is the inductance of the spiral solenoid 3, and the breakdown voltage U of the storage capacitance C of the pulse current generator 1 is selected within the limits satisfying the following conditions: for laser radiation insulator 7 in the form of a floor suspended cylinder for protection from electrical breakdowns between the turns of the spiral solenoid 3.
Description
Полезная модель относится к генераторам плазменных потоков, конкретно, к области техники конструирования устройств, в которых создаются узконаправленные плазменные потоки вдоль оси прибора. Такие устройства могут найти применение в плазменных технологиях, а также в системах инжекции ускорителей ионов.The utility model relates to generators of plasma streams, in particular, to the field of engineering design of devices in which narrowly directed plasma streams are created along the axis of the device. Such devices can find application in plasma technologies, as well as in injection systems of ion accelerators.
Известны устройства [1-3], которые состоят из источника плазмы и постоянного соленоида. В них азимутально - симметричные плазменные потоки контрагируются с магнитным полем соленоидов, охватывающих плазменный поток. Недостатком таких приборов является локальный характер фокусировки, когда одновременно с уменьшением поперечного сечения плазменного потока увеличивается разброс радиальных скоростей (следствие теоремы Лиувилля).Known devices [1-3], which consist of a plasma source and a constant solenoid. In them, azimuthally symmetric plasma flows are contracted with the magnetic field of the solenoids covering the plasma flow. The disadvantage of such devices is the local nature of focusing, when, simultaneously with a decrease in the cross section of the plasma flow, the spread of radial velocities increases (a consequence of Liouville's theorem).
Наиболее близкое по содержанию признаков техническое решение, выбранное в качестве прототипа, является генератор плазменного потока, описанный в [4]. Такой импульсный генератор плазменного потока состоит из источника лазерной плазмы и соленоида в виде конической катушки (спиральной линии). При создании в области лазерной плазмы переменного быстронарастающего магнитного поля, продольная составляющая, которого генерирует в плазме азимутальный ток, а поперечная его составляющая, взаимодействуя с этим током, обеспечивает ускорение лазерной плазмы. Взаимодействие продольной составляющей магнитного поля с токами в плазме может оказывать на нее фокусирующее воздействие, при котором поперечный фазовый объем уменьшается.The closest technical solution in terms of the content of features, selected as a prototype, is the plasma flow generator described in [4]. Such a pulsed plasma flow generator consists of a laser plasma source and a solenoid in the form of a conical coil (spiral line). When an alternating rapidly increasing magnetic field is created in the laser plasma region, the longitudinal component, which generates an azimuthal current in the plasma, and its transverse component, interacting with this current, provides the acceleration of the laser plasma. The interaction of the longitudinal component of the magnetic field with currents in the plasma can exert a focusing effect on it, at which the transverse phase volume decreases.
Недостатком прототипа как импульсного генератора узконаправленного плазменного потока, является отсутствие контрагирующего воздействия на поток лазерной плазмы при ее разлете за пределами соленоида.The disadvantage of the prototype as a pulse generator of a narrowly directed plasma flow is the absence of a contraction effect on the flow of laser plasma during its expansion outside the solenoid.
Технический результат устройства направлен на увеличение контрагирующего (фокусирующего) воздействия магнитного поля на плазменный поток и, как следствие, уменьшение его выходной апертуры, что существенно расширяет технические возможности применения устройства в ускорителях в качестве инжектора легких и тяжелых ионов.The technical result of the device is aimed at increasing the contractive (focusing) effect of the magnetic field on the plasma flow and, as a consequence, reducing its output aperture, which significantly expands the technical possibilities of using the device in accelerators as an injector for light and heavy ions.
Этот результат достигается тем, что в устройстве, содержащем генератор импульса тока 1, включающем накопительную емкость С и коммутатор S, а также спиральный соленоид 3 и источник лазерной плазмы, состоящий из плазмообразующей мишени 4, фокусирующего устройства 5 и импульсного лазера 6, между генератором импульса тока 1 и спиральным соленоидом 3 установлен резистор 2 величиной R, удовлетворяющей условиям:This result is achieved by the fact that in a device containing a
где μ0 - магнитная постоянная, G - объем спирального соленоида 3, Н - длина спирального соленоида 3, а N - число витков спирального соленоида 3, находящееся в пределах:where μ 0 is the magnetic constant, G is the volume of the
при этом параметры G, Н, N спирального соленоида 3 удовлетворяют следующим соотношениям:in this case, the parameters G, H, N of the
где L - индуктивность спирального соленоида 3, а пробойное напряжение Uпр накопительной емкости С генератора импульсного тока 1 выбрано в пределах, удовлетворяющих следующим условиям:where L is the inductance of the
В частном случае, в предлагаемом импульсном генераторе узконаправленного плазменного потока дополнительно установлен прозрачный для лазерного излучения изолятор 7 в виде полого цилиндра, охватывающий плазмообразующую мишень 4 источника лазерной плазмы, при этом изолятор 7 размещен внутри спирального соленоида 3 для предохранения от электрических пробоев между витками спирального соленоида 3.In a particular case, in the proposed pulse generator of a narrowly directed plasma flow, an
Математический эксперимент, в котором была использована система дифференциальных уравнений магнитной гидродинамики [4,5], были учтены сведения о зависимости температуры и концентрации плазмы от времени, приведенных в монографии [6], полагая, что разлет лазерной плазмы является адиабатическим, была применена вариация указанных выше параметров в следующих пределах: G < 10-3 м-3, Н < 10-1 м, 0.01 мкФ < С < 1.0 мкФ, 5 кВ < Uпр < 50 кВ, N < 10, R > 50 Ом, 10 м Вт/м-2 ≤ q ≤ 1015 Вт/м-2 с учетом геометрических и электродинамических условий возможного технологического применения предлагаемого устройства, показал, что эффективное контрагирование лазерной плазмы на дальних расстояниях разлета узконаправленного плазменного потока после спирального соленоида может осуществляться только при выполнении условий (2-4).A mathematical experiment in which the system of differential equations of magnetohydrodynamics [4, 5] was used, the information on the dependence of the temperature and plasma concentration on time given in the monograph [6] was taken into account, assuming that the expansion of the laser plasma is adiabatic, a variation of the indicated above parameters within the following limits: G <10 -3 m -3 , N <10 -1 m, 0.01 μF <C <1.0 μF, 5 kV <U pr <50 kV, N <10, R> 50 Ohm, 10 m W / m -2 ≤ q ≤ 10 15 W / m -2 , taking into account the geometric and electrodynamic conditions of the possible technological application of the proposed device, showed that effective contraction of the laser plasma at long distances of expansion of the narrowly directed plasma flow after the spiral solenoid can be carried out only if the conditions (2-4).
Конкретно, благодаря выполнению ограничительного условия (1) для резистора 2, величиной R, вытекающего из анализа выражения для разрядного тока в спиральном соленоиде 3 в зависимости от времени t:Specifically, due to the fulfillment of the limiting condition (1) for the
обеспечивается процесс непрерывного фокусирующего воздействия спирали на всей ее длине. При меньшем значении R разряд тока имеет колебательный характер и фокусирующее действие спирального соленоида 3 прекращается. При больших значениях R ограничительного условия (1) амплитуда тока в спиральном соленоиде 3 существенно уменьшается и перестает возбуждаться в плазме достаточный для ее фокусировки азимутальный ток.the process of continuous focusing action of the spiral along its entire length is ensured. At a lower value of R, the current discharge has an oscillatory character and the focusing action of the
Нарушение левого неравенства в условии (2) приводит к уменьшению контрагирующего воздействия, а нарушение его правой части, хотя и не нарушает контрагирующего воздействия, но существенно усложняет процесс фокусировки лазерного излучения на лазерную мишень и конструкцию устройства.Violation of the left-hand inequality in condition (2) leads to a decrease in the contraction effect, and violation of its right-hand side, although it does not violate the contraction effect, significantly complicates the process of focusing the laser radiation on the laser target and the device design.
Условия (3,4) совместно обеспечивают верхние и нижние пределы значений геометрических параметров спирального соленоида N, H, G, L, C для необходимой связи между электродинамическими и геометрическими параметрами устройства, при которой возможно контрагирующее воздействие спирали на плазменный поток с учетом характерного времени разлета лазерной плазмы в пределах 0,1-1,0 мкс.Conditions (3.4) together provide the upper and lower limits of the values of the geometrical parameters of the spiral solenoid N, H, G, L, C for the necessary connection between the electrodynamic and geometrical parameters of the device, at which a contractive effect of the spiral on the plasma flow is possible, taking into account the characteristic expansion time laser plasma within 0.1-1.0 μs.
Таким образом, совокупность всех вышеуказанных существенных признаков, связанных друг с другом причинно-следственными связями, позволяет достичь вышеуказанного технического результата.Thus, the totality of all the above essential features, interconnected by cause-and-effect relationships, makes it possible to achieve the above technical result.
На Фиг. 1 представлен пример конкретной реализации импульсного генератора узконаправленного плазменного потока, содержащего следующие позиции: 1 - генератор импульса тока, включающий накопительную емкость С и коммутатор G, 2 - резистор, 3 - спиральный соленоид, а также источник плазмы, состоящий из лазерной мишени 4, фокусирующего устройства 5 и импульсного лазера 6. При этом, между спиральным соленоидом 3 и лазерной мишенью 4 размещен прозрачный для лазерного излучения изолятор 7 в виде полого цилиндра.FIG. 1 shows an example of a specific implementation of a pulse generator of a narrowly directed plasma flow, containing the following positions: 1 - a current pulse generator, including a storage capacitor C and a switch G, 2 - a resistor, 3 - a spiral solenoid, and a plasma source consisting of a
Устройство работает следующим образом. В результате срабатывания генератора импульса тока 1 в последовательной цепи резистора 2 и спирального соленоида 3 возбуждается электрический ток, создающий вокруг лазерной мишени 4 быстронарастающее азимутально - симметричное магнитное поле. До момента этого процесса в импульсном лазере 6 происходит генерация направленного электромагнитного излучения, которое концентрируется фокусирующим устройством 5 на лазерной мишени 4. В результате этого на ее поверхности образуется лазерная плазма, которая разлетается вдоль нормали к лазерной мишени 4 в виде вытянутого шара. Согласно закону электромагнитной индукции, в лазерной плазме возникает переменное электрическое поле, возбуждающее в ней азимутальный электрический ток. Азимутальная составляющая этого тока взаимодействует с продольной составляющей магнитного поля и создает силу Ампера, позволяющую при указанных выше параметрах спирального соленоида 3 формировать узконаправленный плазменный поток. Поперечная составляющая, возбуждаемого электрического тока, действующая на единичный объем лазерной плазмы, направлена к оси спирального соленоида 3.The device works as follows. As a result of the operation of the
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет разработать и внедрить в различных плазменных технологиях устройства, в которых достигнуто существенное увеличение контрагирующего (фокусирующего) воздействия магнитного поля на плазменный поток и уменьшение его выходной апертуры, а также существенно расширяет технические возможности применения предлагаемого устройства в ускорителях в качестве инжектора потоков легких и тяжелых ионов с уменьшенным фазовым объемом.Thus, the proposed utility model allows the development and implementation of devices in various plasma technologies, in which a significant increase in the contractive (focusing) effect of the magnetic field on the plasma flow and a decrease in its output aperture is achieved, and also significantly expands the technical possibilities of using the proposed device in accelerators as injector for light and heavy ion fluxes with reduced phase volume.
Источники информацииInformation sources
1. Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. М., ФИЗМАТЛИТ, 2006, с. 74-75, 266-267.1. Morozov A.I. Introduction to Plasma Dynamics. M., FIZMATLIT, 2006, p. 74-75, 266-267.
2. Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М. Атомиздат, 1972, с. 139-140.2. Gabovich M.D. Physics and technology of plasma ion sources. M. Atomizdat, 1972, p. 139-140.
3. Козырев Ю.П., Козловский К.И., Цыбин А.С. О влиянии продольного магнитного поля на разлет ионов лазерной плазмы. Физика плазмы, т. 6, в. 1, с. 69-72.3. Kozyrev Yu.P., Kozlovsky K.I., Tsybin A.S. On the influence of a longitudinal magnetic field on the scattering of ions in a laser plasma. Plasma physics, vol. 6, v. 1, p. 69-72.
4. Шиканов А.Е., Вовченко Е.Д., Козловский К.И., Шатохин В.Л. Модель ускорения лазерной плазмы в полях спиральной электродинамической линии. Письма в ЖТФ, т. 45, в. 3., 2019, с. 59-62.4. Shikanov A.E., Vovchenko E.D., Kozlovsky K.I., Shatokhin V.L. Model of acceleration of a laser plasma in the fields of a spiral electrodynamic line. Letters to ZhTF, v. 45, v. 3., 2019, p. 59-62.
5. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М., НАУКА, 1982, с. 164, 177-182.5. Landau L.D., Livshits E.M. Continuous media electrodynamics. M., SCIENCE, 1982, p. 164, 177-182.
6. Ананьин О.Б., Афанасьев Ю.В., Быковский Ю.А., Крохин О.Н. Лазерная плазма. Физика и применение. М., МИФИ, 2003, 400 с.6. Ananin OB, Afanasiev Yu.V., Bykovsky Yu.A., Krokhin ON. Laser plasma. Physics and Applications. Moscow, MEPhI, 2003, 400 p.
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020143080U RU204110U1 (en) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | IMPULSE GENERATOR OF NARROW DIRECTIONAL PLASMA FLOW |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020143080U RU204110U1 (en) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | IMPULSE GENERATOR OF NARROW DIRECTIONAL PLASMA FLOW |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU204110U1 true RU204110U1 (en) | 2021-05-07 |
Family
ID=75851174
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020143080U RU204110U1 (en) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | IMPULSE GENERATOR OF NARROW DIRECTIONAL PLASMA FLOW |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU204110U1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2538764C2 (en) * | 2013-01-09 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный научный центр Российской Федерации-Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" | Laser-plasma high-charge ion generator |
GB2522215A (en) * | 2014-01-16 | 2015-07-22 | Univ Belfast | Beam focusing and accelerating system |
WO2019165535A1 (en) * | 2018-02-28 | 2019-09-06 | General Fusion Inc. | System and method for generating plasma and sustaining plasma magnetic field |
-
2020
- 2020-12-25 RU RU2020143080U patent/RU204110U1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2538764C2 (en) * | 2013-01-09 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный научный центр Российской Федерации-Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" | Laser-plasma high-charge ion generator |
GB2522215A (en) * | 2014-01-16 | 2015-07-22 | Univ Belfast | Beam focusing and accelerating system |
WO2019165535A1 (en) * | 2018-02-28 | 2019-09-06 | General Fusion Inc. | System and method for generating plasma and sustaining plasma magnetic field |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ШИКАНОВ А.Е., Модель ускорения лазерной плазмы в полях спиральной электродинамической линии, Письма в ЖТФ, 2019, том 45, вып.3. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Wang et al. | A compact all-solid-state repetitive pulsed power modulator based on Marx generator and pulse transformer | |
AU1084701A (en) | Electrostatic fluid accelerator | |
Conti et al. | MA-class linear transformer driver for Z-pinch research | |
Bulychev et al. | Plasma discharge with bulk glow in the liquid phase exposed to ultrasound | |
Tou et al. | Nonperturbing plasma-focus measurements in the run-down phase | |
JP2014523611A (en) | System and method for generating self-confined high density air plasma | |
Shapovalov et al. | Design of 30-T pulsed magnetic field generator for magnetized high-energy-density plasma experiments | |
US3270236A (en) | Electrodeless apparatus for producing or accelerating plasmoids | |
US3015745A (en) | Apparatus for ionising a gas to obtain high intensity pulsed ions or electrons | |
DE102012021516A1 (en) | Electrohydrodynamic energy conversion devices and conversion processes | |
Allen et al. | Experimental generation of plasma Alfvén waves | |
Zolotukhin et al. | Discharge characteristics of two-stage micro-cathode arc MPD thrusters with a permanent magnet and a pulsed magnetic field | |
RU204110U1 (en) | IMPULSE GENERATOR OF NARROW DIRECTIONAL PLASMA FLOW | |
Kolyada et al. | Pulse electrothermal plasma accelerators and its application in scientific researches | |
Kim et al. | Control and analysis of magnetic switch reset current in pulsed power systems | |
Decker et al. | Experiments solving the polarity riddle of the plasma focus | |
RU2667893C1 (en) | Device for studying vacuum discharge of electrons in magnetic field | |
RU2459395C1 (en) | Linear induction accelerator | |
Korobkov et al. | A simple design erosional plasma gun made of a coaxial cable with polyethylene insulation | |
Zhou et al. | Simulation Model of Streamer Discharge in Dielectric Liquid under Positive Nanosecond Pulse | |
Bobashev et al. | Influence of MHD interaction on shock-wave structures in supersonic diffuser | |
RU2696975C1 (en) | Plasma accelerator | |
Nayak et al. | Studies on effect of gaseous quenching media on performance of electrically exploded foils | |
Dolgachev et al. | Design and performance of plasma injectors for the generation of high-power pulses | |
Commisso et al. | The plasma erosion opening switch |