RU2168290C1

RU2168290C1 - DEVICE FOR REALIZATION OF z-PINCH ON THE BASIS OF SLIPPING DISCHARGE

Info

Publication number: RU2168290C1
Application number: RU99124332A
Authority: RU
Inventors: А.Е. Дубинов; С.А. Садовой; В.П. Петровский; С.В. Холод
Original assignee: Центральный физико-технический институт Министерства обороны Российской Федерации
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2001-05-27

Abstract

FIELD: high-temperature plasma, applicable in development of devices for realization of pinch with the aim of generation, for example, of high-power pulses of X-radiation. SUBSTANCE: the device has an impulse source of electric power and two aligned ring electrodes separated from each other by an insulator. A return conductor electrically coupled to one of electrodes is passed along the insulator from the external side. The other electrode and the return conductor are connected to the impulse source of electric power. The insulator with the return conductor are connected to the impulse source of electric power. The insulator with the return conductor are made sectionalized so that each separate section represents a plane-parallel dielectric extended plate with two electrodes installed on one of the surfaces of the plate on its opposite sides. The return conductor is passed on the other surface of the plate. Each section is installed in the device so that the point of contact of the plate electrodes with the device ring electrodes are spaced in azimuth relative to the axis of the ring electrodes. EFFECT: prevented development of bend and snake instabilities, provided definiteness of position of its constriction. 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике высокотемпературной плазмы и может быть использовано при разработке устройств для осуществления пинча с целью генерирования, например, мощных импульсов мягкого и/или жесткого рентгеновского излучения. The invention relates to high-temperature plasma technology and can be used in the development of devices for the implementation of the pinch in order to generate, for example, powerful pulses of soft and / or hard x-ray radiation.

Известно устройство для осуществления Z-пинча, представляющее собой герметичную цилиндрическую газоразрядную камеру, на торцах которой установлены электроды, подключенные к импульсному источнику электропитания (см. рис. 37 из [1] : Л. А. Арцимович, Управляемые термоядерные реакции, М.: Физматгиз, 1961). В камеру предварительно закачивается газ или смесь газов определенного сорта. При включении источника питания в камере происходит объемная ионизация, образуется столб токонесущей плазмы, собственное азимутальное магнитное поле которой оказывает на плазму сжимающее к оси разряда действие. В момент максимального сжатия происходит сильный разогрев плазмы, что приводит к генерации мощных импульсов мягкого и/или жесткого рентгеновского излучения. A device for the implementation of the Z-pinch, which is a sealed cylindrical gas discharge chamber, at the ends of which are electrodes connected to a pulsed power source (see Fig. 37 from [1]: L. A. Artsimovich, Controlled thermonuclear reactions, M .: Fizmatgiz, 1961). A gas or a mixture of gases of a certain type is pre-pumped into the chamber. When the power source is turned on, volume ionization occurs in the chamber, a column of current-carrying plasma is formed, the intrinsic azimuthal magnetic field of which has a effect on the plasma that compresses the discharge axis. At the time of maximum compression, a strong heating of the plasma occurs, which leads to the generation of powerful pulses of soft and / or hard x-ray radiation.

Однако в процессе сжатия плазменный столб подвержен различным неустойчивостям, например так называемым изгибной и змейковой неустойчивостям (см. рис. 80 [1] ). Эти неустойчивости приводят к срыву пинча. Известны также методы частичной стабилизации этих неустойчивостей: наложение на плазменный столб внешнего продольного магнитного поля или использование металлической разрядной камеры (см. стр. 223-224 [1]), что существенно усложняет все устройство в целом. Кроме того, определенным недостатком является неопределенность осевого положения перетяжки Z-пинча, являющегося источником рентгеновского излучения, что затрудняет измерение и определение общего выхода излучения. However, during compression, the plasma column is subjected to various instabilities, for example, the so-called bending and snake instabilities (see Fig. 80 [1]). These instabilities lead to a pinch breakdown. Partial stabilization methods for these instabilities are also known: applying an external longitudinal magnetic field to the plasma column or using a metal discharge chamber (see pages 223-224 [1]), which significantly complicates the whole device. In addition, a certain drawback is the uncertainty in the axial position of the Z-pinch constriction, which is the source of x-ray radiation, which makes it difficult to measure and determine the total radiation yield.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство для осуществления Z-пинча, содержащее диэлектрическую камеру, выполненную в виде полого кругового цилиндра из диэлектрика, два кольцевых электрода, установленные с противоположных торцов камеры и выступающие внутрь нее, при этом вдоль внешней поверхности камеры пропущен обратный токопровод, электрически связанный с одним из электродов и имеющий вид полого кругового металлического цилиндра, коаксиального камере, а другой электрод и обратный токопровод подключены к импульсному источнику электропитания [2] (Андреев С. И. Байков О.Г., Дашук П.Н., Попов П.Г., "Исследование сильноточных самосжимающихся разрядов в ксеноне. Z-пинч", ЖТФ, 1977, т. 47, N 6, с. 1205-1212). Здесь диэлектрическая камера выполняет также роль изолятора, вдоль поверхности которого создается поверхностный скользящий разряд. В этом устройстве получена сплошная цилиндрическая плазменная оболочка скользящего разряда на внутренней поверхности изолятора и осуществлен Z-пинч плазмы разряда при схлопывании плазменной оболочки к оси устройства. The closest in technical essence to the proposed solution is a device for implementing a Z-pinch containing a dielectric chamber made in the form of a hollow circular cylinder made of dielectric, two ring electrodes mounted on opposite ends of the chamber and protruding inside it, while along the outer surface of the chamber a reverse conductor electrically connected to one of the electrodes and having the form of a hollow circular metal cylinder, a coaxial chamber, and another electrode and a reverse conductor d connected to a pulsed power supply [2] (Andreev S.I. Baykov OG, Dashuk PN, Popov PG, "Study of high-current self-compressing discharges in xenon. Z-pinch", ZhTF, 1977, T. 47, No. 6, pp. 1205-1212). Here, the dielectric chamber also acts as an insulator, along the surface of which a surface sliding discharge is created. In this device, a continuous cylindrical plasma shell of a sliding discharge is obtained on the inner surface of the insulator and a Z-pinch of the discharge plasma is realized when the plasma shell collapses to the axis of the device.

Устройство [2] выбрано нами за прототип. Его недостатком является отсутствие средств стабилизации изгибной и змейковой неустойчивостей. Это приводит к тому, что в некоторых режимах работы возможно нарушение и срыв пинчевания. Кроме того, как и в [1], недостатком прототипа также является неопределенность осевого положения перетяжки Z-пинча. The device [2] we have chosen for the prototype. Its disadvantage is the lack of means for stabilizing bending and snake instabilities. This leads to the fact that in some operating modes, violation and failure of pinching is possible. In addition, as in [1], the disadvantage of the prototype is also the uncertainty of the axial position of the constriction of the Z-pinch.

В связи с этим ставится техническая задача снижение опасности развития изгибной и змейковой неустойчивостей Z-пинча, а также обеспечение определенности положения его перетяжки. In this regard, the technical task is to reduce the risk of development of bending and snake instabilities of the Z-pinch, as well as ensuring the certainty of the position of its constriction.

Техническим результатом предлагаемого решения является исключение опасности развития изгибной и змейковой неустойчивостей пинча в устройстве на основе скользящего разряда, а также обеспечение определенности положения его перетяжки, что должно повысить в свою очередь надежность и повторяемость работы устройства от импульса к импульсу. The technical result of the proposed solution is to eliminate the danger of developing flexural and serpentine instabilities of the pinch in the device based on a sliding discharge, as well as ensuring the certainty of the position of its constriction, which should in turn increase the reliability and repeatability of the device from pulse to pulse.

Этот результат достигается за счет того, что в устройстве для осуществления Z-пинча на основе скользящего разряда, состоящем из импульсного источника электропитания, двух соосных кольцевых электродов, отделенных друг от друга изолятором, при этом вдоль изолятора с внешней стороны пропущен обратный токопровод, электрически связанный с одним из электродов, а другой электрод и обратный токопровод подключены к импульсному источнику электропитания, в отличие от прототипа изолятор с обратным токопроводом выполнены секционированными так, что каждая отдельная секция представляет собой плоскопараллельную диэлектрическую протяженную пластину с двумя электродами, установленными на одной из поверхностей пластины с ее противоположных концов, при этом по другой поверхности каждой пластины пропущен обратный токопровод, и каждая секция при этом установлена в устройстве так, что место контакта электродов пластины с кольцевыми электродами устройства разнесены друг от друга по азимуту относительно оси кольцевых электродов. This result is achieved due to the fact that in the device for the implementation of the Z-pinch based on a sliding discharge, consisting of a pulsed power supply, two coaxial ring electrodes separated from each other by an insulator, while an electrically connected reverse conductor is passed along the insulator from the outside with one of the electrodes, and the other electrode and the return conductor are connected to a pulsed power supply, in contrast to the prototype, the insulator with a return conductor is partitioned so that each individual section is a plane-parallel dielectric extended plate with two electrodes mounted on one of the surfaces of the plate from its opposite ends, while a reverse current path is passed along the other surface of each plate, and each section is installed in the device so that the contact point of the plate electrodes with the ring electrodes of the device are spaced from each other in azimuth relative to the axis of the ring electrodes.

Так как внутренняя касательная поверхность к секционированному изолятору, а следовательно, и секционированная плазменная оболочка завершенного скользящего разряда в этом случае являются однополостным гиперболоидом вращения, то перетяжка в Z-пинче возникнет в том осевом сечении гиперболоида, в котором находится перетяжка самого гиперболоида. Кроме того, скользящий разряд будет иметь не только осевую, но и азимутальную составляющую тока. Следовательно, разряд будет возбуждать собственное магнитное поле не только с азимутальной, осуществляющей Z-пинч, но и аксиальной составляющей, которая обеспечит стаблизацию Z-пинча по отношению к развитию изгибной и змейковой неустойчивостей. Since the internal tangent surface to the sectioned insulator, and hence the sectioned plasma shell of the completed sliding discharge in this case, is a single-cavity rotation hyperboloid, the constriction in the Z-pinch will appear in that axial section of the hyperboloid in which the constriction of the hyperboloid itself is located. In addition, the sliding discharge will have not only axial, but also the azimuthal component of the current. Consequently, the discharge will excite its own magnetic field not only with the azimuthal carrying out the Z-pinch, but also with the axial component, which will ensure the stabilization of the Z-pinch with respect to the development of bending and snake instabilities.

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого решения полностью обеспечивают решение технической задачи. Thus, the distinguishing features of the proposed solutions fully provide a solution to the technical problem.

Пример выполнения устройства для осуществления Z-пинча на основе скользящего разряда с кольцевыми электродами одинакового диаметра показан на чертеже, хотя возможно выполнение заявляемого устройства с кольцевыми электродами разного диаметра. An example of a device for implementing a Z-pinch based on a sliding discharge with ring electrodes of the same diameter is shown in the drawing, although it is possible to perform the inventive device with ring electrodes of different diameters.

На чертеже обозначено: 1 - заземленный кольцевой электрод, 2 - одна из плоскопараллельных диэлектрических протяженных пластин, 3 - обратный токопровод, 4 - высоковольтный электрод пластины, 5 - коллектор обратного токопровода, 6 - предохранительный изолятор, 7 - высоковольтный кольцевой электрод. The drawing indicates: 1 - a grounded ring electrode, 2 - one of the plane-parallel dielectric extended plates, 3 - a reverse current lead, 4 - a high-voltage electrode of a plate, 5 - a collector of a reverse current lead, 6 - a safety insulator, 7 - a high-voltage ring electrode.

На чертеже не показаны:
- внешняя герметичная оболочка (или камера), которая служит для обеспечения необходимого давления в разряде, но форма которой несущественна для пинча;
- импульсный источник электропитания питания, который подключен к кольцевым электродам 1 и 7 и тип которого может быть любым: мощная конденсаторная батарея, взрывомагнитный генератор и др.;
- заземленные электроды пластин, так как их роль могут играть небольшие выступы в заземленном кольцевом электроде 1.The drawing is not shown:
- an external airtight shell (or chamber), which serves to provide the necessary pressure in the discharge, but whose shape is not essential for the pinch;
- a pulsed power supply that is connected to the ring electrodes 1 and 7 and the type of which can be any: a powerful capacitor bank, an explosive magnetic generator, etc .;
- grounded electrodes of the plates, since their role can be played by small protrusions in the grounded ring electrode 1.

Электроды 1, 5 и 7 могут быть выполнены из любого металла или сплава, например медь, вольфрам, сталь и т. д. Диэлектрические пластины 2 могут быть выполнены из кварцевого стекла, фарфора, ситалла. Высоковольтный электрод пластины 4 и обратный токопровод 3 могут быть нанесены на пластину в виде тонкого слоя напылением или вжиганием, например, меди, но могут быть изготовлены в виде отдельных деталей из металла или сплавов. Материал предохранительного изолятора 6 - капролон, оргстекло, керамика и т. д. The electrodes 1, 5 and 7 can be made of any metal or alloy, for example copper, tungsten, steel, etc. The dielectric plates 2 can be made of quartz glass, porcelain, and glass. The high-voltage electrode of the plate 4 and the return conductor 3 can be deposited on the plate in the form of a thin layer by spraying or burning, for example, copper, but can be made in the form of separate parts from metal or alloys. The material of the safety insulator 6 is caprolon, plexiglass, ceramics, etc.

Диаметр устройства должен быть примерно в 1,5-2 раза меньше его высоты. Толщина пластин должна быть 1-3 мм, ширина - 12-18 мм. Эти требования, не являясь обязательными для заявляемого устройства, позволяют подобрать оптимальные режимы работы. The diameter of the device should be approximately 1.5-2 times smaller than its height. The thickness of the plates should be 1-3 mm, width - 12-18 mm. These requirements, not being mandatory for the claimed device, allow you to choose the optimal operating conditions.

Работает устройство для осуществления Z-пинча на основе скользящего разряда следующим образом. При подаче импульса электропитания на электроды 5 и 7 между высоковольтным электродом 4 каждой из пластин 2 и обратным токопроводом 3 возникает напряжение, инициирующее скользящий разряд. Скользящий разряд развивается по внутренней поверхности пластины 2 параллельно обратному токопроводу 3. Как только разряд достигнет кольцевого электрода 1, по каналам разряда начинает протекать импульсный ток, нарастающий по величине. Под действием сил Ампера разрядные каналы отрываются от пластин и, ускоряясь, летят к оси устройства. При достижении оси плазма коллапсирует, нагревается и становится источником мощного рентгеновского излучения. A device for implementing a Z-pinch based on a moving discharge works as follows. When a power pulse is applied to the electrodes 5 and 7, a voltage is generated between the high-voltage electrode 4 of each of the plates 2 and the return conductor 3, which initiates a sliding discharge. A sliding discharge develops along the inner surface of the plate 2 parallel to the reverse current lead 3. As soon as the discharge reaches the ring electrode 1, a pulsed current begins to flow through the discharge channels, increasing in magnitude. Under the action of Ampere forces, the discharge channels break away from the plates and, accelerating, fly to the axis of the device. Upon reaching the axis, the plasma collapses, heats up and becomes a source of powerful x-ray radiation.

Перетяжка разряда на оси устройства всегда возникает в сечении, проходящем через перетяжку исходного гиперболоида. Аксиальная составляющая собственного магнитного поля разряда стабилизирует Z-пинч по отношению к развитию изгибной и змейковой неустойчивостей. The constriction of the discharge on the axis of the device always occurs in a section passing through the constriction of the initial hyperboloid. The axial component of the intrinsic magnetic field of the discharge stabilizes the Z-pinch with respect to the development of bending and snake instabilities.

Claims

A device for implementing a Z-pinch based on a sliding discharge, consisting of a switching power supply, two coaxial ring electrodes separated from each other by an insulator, while a reverse current path electrically connected to one of the electrodes is passed along the insulator from the outside, and the other electrode and the return conductor is connected to a pulsed power supply, characterized in that the insulator with the return conductor is made partitioned so that each individual section is a square an oscillating parallel dielectric plate with two electrodes mounted on one of the surfaces of the plate from its opposite ends, while a reverse current path is passed along the other surface of each plate, and each section is installed in the device so that the contact point of the plate electrodes with the ring electrodes of the device are spaced from each other in azimuth relative to the axis of the ring electrodes.