RU2223618C1

RU2223618C1 - Method and device for plasma heating

Info

Publication number: RU2223618C1
Application number: RU2003106389/06A
Authority: RU
Inventors: В.В. Шапкин
Original assignee: Шапкин Владимир Васильевич
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-02-10

Abstract

FIELD: high-temperature plasma physics. SUBSTANCE: method aimed at producing stationary, high-density, fully ionized high-temperature plasma includes following procedures. Stationary plasma is produced and heated due to interaction between beam and plasma in electric and heterogeneous magnetic fields. Magnetic field is of plug configuration and radial electric field is built up in magnetic plugs thereby affording crossing of magnetic and electric fields in mentioned plugs. EFFECT: enhanced effectiveness of plasma heating. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может быть использовано для создания источника быстрых нейтронов, а также источника мощного γ -излучения.The invention relates to the physics of high-temperature plasma and can be used to create a source of fast neutrons, as well as a source of powerful γ-radiation.

Известен способ нагрева в открытых ловушках (В.А. Чуянов. Адиабатические магнитные ловушки. Итоги науки и техники. Физика плазмы, т. 1, ч. 1, 1980, с. 119-162) с использованием различных методик нагрева, в частности инжекции пучков молекулярных ионов и быстрых нейтральных атомов.A known method of heating in open traps (VA Chuyanov. Adiabatic magnetic traps. Results of science and technology. Plasma physics, v. 1, part 1, 1980, pp. 119-162) using various heating techniques, in particular injection molecular ion beams and fast neutral atoms.

Однако, хотя и были достигнуты определенные успехи в этих системах, наличие большого числа различных неустойчивостей (конусной, желобковой, ионноциклотронной и т.д.) не позволило практически реализовать эффективный стационарный нагрев плазмы с плотностью и ионной температурой, соответствующими реакторным требованиям.However, although certain successes were achieved in these systems, the presence of a large number of different instabilities (conical, grooved, ion-cyclotron, etc.) did not make it possible to practically realize effective stationary plasma heating with a density and ion temperature corresponding to reactor requirements.

Известен способ нагрева плазмы, образующейся в процессе ее образования в пучково-плазменном разряде в скрещенных радиальном электрическом и магнитном полях.A known method of heating a plasma formed during its formation in a beam-plasma discharge in crossed radial electric and magnetic fields.

Известный способ реализуется за счет устройства, которое имеет цилиндрическую камеру с соосно установленными на ее торцевых стенках инжектором электронов и приемником электронного пучка, магнитную систему, систему напуска и прокачки рабочего вещества и источники электропитания инжектора электронов и радиального электрического поля (А.И. Бабицкий, А.А. Иванов, В.В. Северный и В.В. Шапкин. Пучково-плазменный разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях, ДАН СССР, т.237, № 1, 1977, с. 68-70).The known method is implemented due to a device that has a cylindrical chamber with an electron injector and an electron beam receiver coaxially mounted on its end walls, a magnetic system, a system for supplying and pumping a working substance, and power sources for an electron injector and a radial electric field (A.I. Babitsky, AA Ivanov, VV Severny, and VV Shapkin, Beam-plasma discharge in crossed electric and magnetic fields, DAN USSR, vol. 237, No. 1, 1977, p. 68-70).

Недостатком известного способа является то, что он не позволяет получить существенного нагрева плазмы из-за низкой величины продольного магнитного поля, не препятствующей уходу плазмы в поперечном направлении (поперечные потери энергии), а также из-за отсутствия радиального электрического поля в области градиента магнитного поля, не препятствующего уходу плазмы в продольном направлении (продольные потери энергии).The disadvantage of this method is that it does not allow to obtain significant plasma heating due to the low longitudinal magnetic field, which does not impede the plasma flow in the transverse direction (transverse energy loss), and also due to the absence of a radial electric field in the region of the magnetic field gradient that does not interfere with the plasma escape in the longitudinal direction (longitudinal energy loss).

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности и величины нагрева плазмы.The technical problem to which the claimed invention is directed is to increase the efficiency and magnitude of plasma heating.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что нагрев плазмы, образующейся в пучково-плазменном разряде в скрещенных радиальном электрическом и магнитном полях, осуществляют при создании магнитного поля пробочной конфигурации, устанавливая его величину достаточной для выполнения условия β<1, где β=(n_eT_e+n_iT_i)/(H²/8π), где n_е, n_i, Т_е, Т_i - плотность и температура электронов и ионов плазмы соответственно, Н - величина магнитного поля, а радиальное электрическое поле создают в области торцов, помещенных в пробках магнитной системы.The stated technical problem is solved due to the fact that the heating of the plasma generated in the beam-plasma discharge in crossed radial electric and magnetic fields is carried out when the magnetic field of the plug configuration is created, setting its value sufficient to satisfy the condition β <1, where β = (n _e T _e + n _i T _i ) / (H ² / 8π), where n _e , n _i , Т _е , Т _i are the density and temperature of electrons and plasma ions, respectively, N is the magnitude of the magnetic field, and a radial electric field is created in the area of the ends placed in the plugs of the magnetic system.

Этот способ осуществляется за счет устройства новой конструкции, содержащего цилиндрическую камеру с соосно установленными на ее торцевых стенках инжектором и приемником электронного пучка, магнитную систему, систему напуска и прокачки рабочего вещества и источники электропитания инжектора электронов и радиального электрического поля. Магнитная система имеет пробочную конфигурацию, а диэлектрические торцевые стенки камеры расположены в пробках магнитной системы.This method is carried out due to a device of a new design containing a cylindrical chamber with an injector and an electron beam receiver coaxially mounted on its end walls, a magnetic system, a system for supplying and pumping a working substance, and power sources for an electron injector and a radial electric field. The magnetic system has a plug configuration, and the dielectric end walls of the chamber are located in the plugs of the magnetic system.

На чертеже изображено устройство, реализующее предложенный способ.The drawing shows a device that implements the proposed method.

Устройство представляет собой цилиндрическую камеру 1 с диэлектрическими торцевыми стенками 2. Соосно с камерой установлен инжектор электронного пучка, состоящий из катода 3 и анода 4, а также охлаждаемый коллектор электронов 5. Магнитная система выполнена, например, в виде катушек 6. Система прокачки 7 представляет собой насос одного из известных типов. Устройство содержит источник питания электронного инжектора 8, включенный между катодом 3 и анодом 4, а также источник питания радиального электрического поля 9, включенный между цилиндрической стенкой камеры 1, анодом инжектора 4 и приемником пучка 5.The device is a cylindrical chamber 1 with dielectric end walls 2. An electron beam injector consisting of a cathode 3 and anode 4 and a cooled electron collector 5 are mounted coaxially with the chamber. The magnetic system is made, for example, in the form of coils 6. The pumping system 7 represents a pump of one of the known types. The device contains a power source for the electronic injector 8, connected between the cathode 3 and the anode 4, as well as a power source for the radial electric field 9, connected between the cylindrical wall of the chamber 1, the anode of the injector 4 and the beam receiver 5.

Изобретение осуществляется следующим образом.The invention is as follows.

В объем камеры 1, помещенной в продольное магнитное поле пробочной конфигурации, создаваемое катушками 6, инжектируют по оси камеры стационарный электронный пучок. Через объем камеры с помощью системы напуска 7 пропускают рабочую смесь, которая при взаимодействии с электронным пучком переводится в полностью ионизованное состояние, а образующаяся плазма нагревается за счет сильной диссипации энергии электронного пучка вследствие развития пучковой неустойчивости. Между цилиндрической стенкой камеры 1, а также анодом 4 и приемником пучка 5 прикладывают разность потенциалов от источника 9. Так как радиальное электрическое поле возникает вблизи торцов, помещенных в пробках магнитной системы, то плазма, вращаясь в скрещенных полях, отражается от торцов в направлении центра ловушки, благодаря чему предотвращается продольный уход плазмы на торцы разрядной камеры (продольная энергоизоляция). Величина магнитного поля устанавливается такой, чтобы выполнялось условие β<1, где β=(n_eT_e+n_iT_i)/(H²/8π), где n_е, n_i, Т_е, Т_i - плотность и температура электронов и ионов плазмы соответственно, Н - величина магнитного поля, для ограничения ухода плазмы в поперечном направлении (поперечная энергоизоляция).A stationary electron beam is injected into the chamber 1 volume placed in a longitudinal magnetic field of a plug configuration created by coils 6 along the chamber axis. A working mixture is passed through the chamber volume using the inlet system 7, which, when interacting with the electron beam, is transferred to a fully ionized state, and the resulting plasma is heated due to the strong dissipation of the electron beam energy due to the development of beam instability. Between the cylindrical wall of the chamber 1, as well as the anode 4 and the receiver of the beam 5, a potential difference is applied from the source 9. Since the radial electric field arises near the ends placed in the plugs of the magnetic system, the plasma, rotating in crossed fields, is reflected from the ends in the center direction traps, which prevents longitudinal plasma escape to the ends of the discharge chamber (longitudinal energy insulation). The magnitude of the magnetic field is set so that the condition β <1 is satisfied, where β = (n _e T _e + n _i T _i ) / (H ² / 8π), where n _e , n _i , T _e , T _i is the density and the temperature of the electrons and plasma ions, respectively, N is the magnitude of the magnetic field, to limit the escape of plasma in the transverse direction (transverse energy isolation).

Таким образом, исключив уход энергии в продольном и поперечном направлениях, изобретение позволяет реализовать эффективный нагрев плазмы.Thus, eliminating the energy loss in the longitudinal and transverse directions, the invention allows for the efficient heating of the plasma.

Claims

1. A method of heating a plasma generated in a beam-plasma discharge in crossed radial electric and magnetic fields, in which a magnetic field of a plug configuration is created, setting its value sufficient to satisfy the condition β <1, where β = (n _e T _e + n _i T _i ) / (H ² / 8π), where n _e , n _i , T _e , T _i are the density and temperature of electrons and plasma ions, respectively, N is the magnitude of the magnetic field, and a radial electric field is created in the region of the ends placed in traffic jams of the magnetic system.

2. The device for implementing the plasma heating method according to claim 1, comprising a cylindrical chamber with an electron injector and an electron receiver coaxially mounted on its end dielectric walls, a magnetic system, a system for supplying and pumping a working substance, and power sources for the electron injector and radial electric field, characterized the fact that the magnetic field has a plug configuration, and the end dielectric walls are installed in the plugs of the magnetic system.