RU2725439C1 - Method and device for producing high-temperature plasma with magnetic stabilization of z-pinch - Google Patents

Method and device for producing high-temperature plasma with magnetic stabilization of z-pinch Download PDF

Info

Publication number
RU2725439C1
RU2725439C1 RU2020100941A RU2020100941A RU2725439C1 RU 2725439 C1 RU2725439 C1 RU 2725439C1 RU 2020100941 A RU2020100941 A RU 2020100941A RU 2020100941 A RU2020100941 A RU 2020100941A RU 2725439 C1 RU2725439 C1 RU 2725439C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pulse
gap
magnetic field
temperature plasma
producing
Prior art date
Application number
RU2020100941A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Омар Алиевич Омаров
Назир Ашурбекович Ашурбеков
Наида Омаровна Омарова
Магомед Омарович Омаров
Патимат Хасбулаевна Омарова
Альбина Александровна Корнилова
Виктор Антонович Садовничий
Муртазали Хулатаевич Рабаданов
Original Assignee
Омар Алиевич Омаров
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Омар Алиевич Омаров filed Critical Омар Алиевич Омаров
Priority to RU2020100941A priority Critical patent/RU2725439C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2725439C1 publication Critical patent/RU2725439C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/02Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

FIELD: plasma technology.SUBSTANCE: invention relates to plasma engineering, and in particular to methods of producing stabilized high-temperature plasma, and can be used for construction of pulse-periodic thermonuclear reactor, heat generators, as well as pulsed neutron, X-ray and ultraviolet radiation sources. In the method of producing stabilized high-temperature plasma, in which two metal electrodes are placed with a gap, where a longitudinal magnetic field pulse is generated, as well as during the time period of said magnetic field pulse generating a longitudinal electric field pulse, by means of which a plasma ionized plasma is formed in the gap, wherein current in it creates magnetic field, providing compression of plasma cord due to effect of pulsed z-pinch. In apparatus for producing stabilized high-temperature plasma, which comprises pulse energy source, pulse shaper and plasma chamber with axisymmetric electrodes, wherein the electrodes are located with a gap on one axis inside the plasma chamber, and the device also comprises a solenoid and a magnetic field control unit configured to generate in the pulse gap a longitudinal magnetic field, wherein pulsed energy source and pulse former are made with possibility of generation in pulse gap of longitudinal electric field forming in the gap of completely ionized plasma cord, current value in which provides compression of plasma cord due to pulsed z-pinch effect, wherein electric field longitudinal pulse shaper is synchronized with magnetic field control unit, with possibility of formation of pulse of longitudinal pulse of electric field during action in gap of magnetic field pulse, formed by means of solenoid and magnetic field control unit.EFFECT: wider range of methods and apparatus for producing stabilized high-temperature plasma.26 cl, 4 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к плазменной технике, и в частности к способам получения стабилизированной высокотемпературной плазмы, и может быть применено для построения импульсно–периодического термоядерного реактора, тепловых генераторов, а также источников импульсного нейтронного, рентгеновского и ультрафиолетового излучения.The invention relates to plasma technology, and in particular to methods for producing stabilized high-temperature plasma, and can be used to build a pulsed-periodic fusion reactor, heat generators, as well as sources of pulsed neutron, x-ray and ultraviolet radiation.

Известно устройство для получения высокотемпературной плазмы по Патенту РФ №2408171 (опубликован 27.12.2010), которое содержит импульсный источник начальной энергии, основной импульсный источник энергии, формирователь импульса и плазменную камеру с осесимметричными наружным и внутренним электродами и кольцевым зазором между ними в виде сопла Лаваля, а также обжимающую токопроводящую оболочку обеспечивающую изоляцию стенок камеры создаваемым ею полоидальным магнитным полем.A device for producing high-temperature plasma is known according to RF Patent No. 2408171 (published December 27, 2010), which contains a pulsed source of initial energy, a main pulsed energy source, a pulse shaper and a plasma chamber with axisymmetric outer and inner electrodes and an annular gap between them in the form of a Laval nozzle , as well as a crimping conductive sheath providing isolation of the chamber walls by the poloidal magnetic field created by it.

Техническим результатом, на получение которого направлена группа изобретений, является расширение арсенала способов и устройств для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы. The technical result, to which the group of inventions is directed, is to expand the arsenal of methods and devices for producing stabilized high-temperature plasma.

Технический результат достигается в способе получения стабилизированной высокотемпературной плазмы, в котором два металлических электрода располагают с зазором где, создают импульс продольного магнитного поля, а также в течение времени действия указанного импульса магнитного поля создают импульс продольного электрического поля, с помощью которого формируют в зазоре шнур ионизированной плазмы, причем ток в нем создает магнитное поле, обеспечивающее сжатие плазменного шнура за счет эффекта импульсного z-пинча.The technical result is achieved in a method for producing a stabilized high-temperature plasma, in which two metal electrodes are positioned with a gap where, a longitudinal magnetic field pulse is generated, and a longitudinal electric field pulse is generated during the duration of the specified magnetic field pulse by means of which an ionized cord is formed in the gap plasma, and the current in it creates a magnetic field that provides compression of the plasma cord due to the effect of a pulsed z-pinch.

Предпочтительно в зазоре создают шнур полностью ионизованной плазмы.Preferably, a cord of fully ionized plasma is created in the gap.

Предпочтительно чтобы импульсное продольное магнитное поле в зазоре создают однородным.Preferably, the pulsed longitudinal magnetic field in the gap is uniform.

Предпочтительно металлические электроды изготавливают осесимметричными и располагают на одной оси.Preferably, the metal electrodes are axisymmetric and arranged on the same axis.

В одном из вариантов выполнения шнур ионизированной плазмы формируют за счет искрового разряда. In one embodiment, an ionized plasma cord is formed by a spark discharge.

Предпочтительно шнур ионизированной плазмы формируют за счет искрового разряда в газовой среде с давлением в диапазоне 1х105Па – 2х106Па.Preferably, the cord of ionized plasma is formed due to a spark discharge in a gaseous medium with a pressure in the range of 1x10 5 Pa - 2x10 6 Pa.

Предпочтительно создают импульс продольного магнитного поля с амплитудой превышающей амплитуду собственного магнитного поля разряда.Preferably, a longitudinal magnetic field pulse is generated with an amplitude exceeding the amplitude of the discharge’s own magnetic field.

Предпочтительно электроды изготавливают из Al и/или Cu и/или Fe. Preferably, the electrodes are made of Al and / or Cu and / or Fe.

Предпочтительно импульс продольного магнитного поля в зазоре создают длительностью в диапазоне от 300 до 600 мкс.Preferably, a longitudinal magnetic field pulse in the gap is provided with a duration in the range of 300 to 600 μs.

Предпочтительно импульс продольного магнитного поля в зазоре создают с амплитудой в диапазоне от 1,5х107А/м до 4х107А/м.Preferably, a longitudinal magnetic field pulse in the gap is generated with an amplitude in the range of 1.5x10 7 A / m to 4x10 7 A / m.

Предпочтительно импульс продольного электрического поля в зазоре создают с длительностью в диапазоне от 20 до 50 мкс.Preferably, a longitudinal electric field pulse in the gap is generated with a duration in the range of 20 to 50 μs.

Предпочтительно импульс продольного электрического поля в зазоре создают вблизи момента достижения максимума импульса продольного магнитного поля.Preferably, a longitudinal electric field pulse in the gap is created near the moment the maximum longitudinal magnetic field pulse is reached.

Предпочтительно импульс продольного электрического поля в зазоре создают с амплитудой в диапазоне от 2х106 В/м до 7х106 В/м и передним фронтом длительностью не более чем 10 нс.Preferably, a longitudinal electric field pulse in the gap is generated with an amplitude in the range of 2x10 6 V / m to 7x10 6 V / m and a leading edge of no more than 10 ns.

В одном из вариантов исполнения процесс получения стабилизированной высокотемпературной плазмы осуществляется в импульсно-периодическом режиме с временными промежутками между импульсами в диапазоне 2 – 5 с.In one embodiment, the process of obtaining stabilized high-temperature plasma is carried out in a pulse-periodic mode with time intervals between pulses in the range of 2 - 5 s.

Технический результат достигается также в устройстве для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы, которое содержит импульсный источник энергии, формирователь импульса и плазменную камеру с осесимметричными электродами, причем электроды расположены с зазором на одной оси внутри плазменной камеры, а устройство также содержит соленоид, и блок управления магнитным полем, выполненные с возможностью создания в зазоре импульса продольного магнитного поля, при этом импульсный источник энергии и формирователь импульса, выполнены с возможностью создания в зазоре импульса продольного электрического поля, формирующего в зазоре шнур полностью ионизированной плазмы, величина тока в котором обеспечивает сжатие плазменного шнура за счет эффекта импульсного z-пинча, причем формирователь продольного импульса электрического поля синхронизован с блоком управления магнитным полем, с возможностью обеспечения формирования импульса продольного импульса электрического поля во время действия в зазоре импульса магнитного поля, сформированного с помощью соленоида и блока управления магнитным полем.The technical result is also achieved in a device for producing a stabilized high-temperature plasma, which contains a pulsed energy source, a pulse shaper and a plasma chamber with axisymmetric electrodes, the electrodes being located with a gap on the same axis inside the plasma chamber, and the device also contains a solenoid and a magnetic field control unit made with the possibility of creating a longitudinal magnetic field pulse in the gap, while the pulsed energy source and pulse shaper are made with the possibility of creating a longitudinal electric field pulse in the gap, forming a cord of fully ionized plasma in the gap, the magnitude of the current in which compresses the plasma cord due to the effect of a pulsed z-pinch, and the shaper of the longitudinal pulse of the electric field is synchronized with the control unit of the magnetic field, with the possibility of generating a pulse of a longitudinal pulse of the electric field during The gap of the magnetic field pulse generated by the solenoid and the magnetic field control unit.

Предпочтительно выполнение зазора между двумя металлическими электродами шириной 1 – 10 мм.It is preferable to make a gap between two metal electrodes with a width of 1 to 10 mm.

Предпочтительно выполнение металлических электродов в форме полусферических электродов Роговского.Preferably, the metal electrodes are in the form of hemispherical Rogowski electrodes.

Предпочтительно выполнение электродов из Al и/или Cu и/или Fe.Preferably, the electrodes are made of Al and / or Cu and / or Fe.

Предпочтительно выполнение соленоида, и блока управления магнитным полем, с возможностью создания в зазоре импульсного продольного магнитного поля длительностью в диапазоне от 300 до 600 мкс.It is preferable to perform a solenoid and a magnetic field control unit, with the possibility of creating a longitudinal longitudinal magnetic field in the gap with a duration in the range from 300 to 600 μs.

Предпочтительно выполнение соленоида, и блока управления магнитным полем, с возможностью создания импульсного продольного магнитного поля с амплитудой в диапазоне от 1,5х107А/м до 4х107А/м.It is preferable to perform a solenoid and a magnetic field control unit, with the possibility of creating a pulsed longitudinal magnetic field with an amplitude in the range from 1.5x10 7 A / m to 4x10 7 A / m.

Предпочтительно выполнение импульсного источника энергии и формирователя импульса с возможностью создания в зазоре импульсного электрического поля с длительностью в диапазоне от 20 до 50 мкс.It is preferable to perform a pulsed energy source and a pulse shaper with the possibility of creating a pulsed electric field in the gap with a duration in the range from 20 to 50 μs.

Предпочтительно выполнение импульсного источника энергии и формирователя импульса с возможностью создания в зазоре импульсного электрического поля амплитудой в диапазоне от 2х106 В/м до 7х106 В/м и передним фронтом длительностью не более чем 10 нс.It is preferable to perform a pulsed energy source and a pulse shaper with the possibility of creating in the gap a pulsed electric field with an amplitude in the range from 2x10 6 V / m to 7x10 6 V / m and a leading edge of no more than 10 ns.

Предпочтительно выполнение импульсного источника энергии и формирователя импульса с возможностью создания импульсного электрического поля вблизи момента достижения максимума импульса продольного магнитного поля.It is preferable to perform a pulsed energy source and a pulse shaper with the possibility of creating a pulsed electric field near the moment of reaching the maximum pulse of the longitudinal magnetic field.

В одном из вариантов исполнения устройства, оно выполнено с возможностью работы в импульсно-периодическом режиме с временными промежутками между импульсами продольного магнитного поля в диапазоне 2 – 5 с.In one embodiment of the device, it is configured to operate in a pulse-periodic mode with time intervals between pulses of a longitudinal magnetic field in the range of 2 to 5 seconds.

Предпочтительно выполнение плазменной камеры с возможностью заполнения газом под давлением 1х105Па – 2х106Па.It is preferable that the plasma chamber be filled with gas at a pressure of 1x10 5 Pa - 2x10 6 Pa.

Предпочтительно выполнение плазменной камеры с возможностью освещения зазора ультрафиолетовым светом от дополнительного искрового разрядника.Preferably, the plasma chamber is configured to illuminate the gap with ultraviolet light from an additional spark gap.

Осуществление способа и работа устройства иллюстрируется рисунками на фиг.1 – фиг. 4.The implementation of the method and the operation of the device is illustrated by the figures in Fig.1 - Fig. 4.

На фиг. 1 приведена схема плазменной камеры с соленоидом и электродами: 1 – межвитковая текстолитовая изоляция, 2 –соленоид из бериллиевой бронзы, 3 – изоляция для вакуумного уплотнения электродов, 4 – зажимающая на резьбе эбонитовая втулка, 5 – стальной корпус камеры, 6 – текстолитовый кожух соленоида, 7 – катод, 8 – стальной бандаж соленоида, 9 – симметрично расположенные кварцевые окошки для освещения зазора ультрафиолетовым светом от дополнительного искрового разрядника, 10 – колпачки, регулирующие межэлектродное расстояние, 11 – зазор между электродами, 12 - анод.In FIG. 1 shows a diagram of a plasma chamber with a solenoid and electrodes: 1 - inter-turn textolite insulation, 2 - beryllium bronze solenoid, 3 - insulation for vacuum sealing of electrodes, 4 - ebonite sleeve clamping on the thread, 5 - steel chamber case, 6 - solenoid textolite casing 7 - cathode, 8 - steel band of the solenoid, 9 - symmetrically arranged quartz windows for illuminating the gap with ultraviolet light from an additional spark gap, 10 - caps that regulate the interelectrode distance, 11 - gap between the electrodes, 12 - anode.

На фиг.2 приведена осциллограмма импульса магнитного поля соленоида в зазоре с меткой, соответствующей импульсу тока в зазоре между электродами. Длительность импульса магнитного поля 500 мкс, длительность импульса электрического поля плазменного разряда 50 мкс.Figure 2 shows the waveform of the magnetic field pulse of the solenoid in the gap with a label corresponding to the current pulse in the gap between the electrodes. The pulse duration of the magnetic field is 500 μs, the pulse duration of the electric field of the plasma discharge is 50 μs.

На фиг.3 показано распределение магнитного поля по оси зазора 11 между электродами 12 и 7 шириной 3 мм.Figure 3 shows the distribution of the magnetic field along the axis of the gap 11 between the electrodes 12 and 7 of a width of 3 mm

На фиг. 4 представлена схема устройства, где 2 – соленоид из бериллиевой бронзы, 12 – анод, 7 – катод, 13 – шнур ионизированной плазмы, 14 – силовые линии радиального магнитного поля, создаваемого в зазоре 11 током шнура ионизированной плазмы 13 за счет эффекта импульсного z-пинча; 15 –силовые линии продольного магнитного поля, создаваемого соленоидом 2. 16 – дополнительный искровой разрядник соленоида, 17 – конденсатор питания соленоида 2, 18 – конденсаторы создающие ток в шнуре ионизированной плазмы 14 в зазоре 11 между электродами 12 и 7, 19 – плазменная камера, 20 – дополнительный искровой разрядник питания электродов 12 и 7.In FIG. 4 is a diagram of the device, where 2 is a beryllium bronze solenoid, 12 is the anode, 7 is the cathode, 13 is the cord of the ionized plasma, 14 are the lines of force of the radial magnetic field generated in the gap 11 by the current of the cord of the ionized plasma 13 due to the pulsed z pinch; 15 - power lines of the longitudinal magnetic field generated by the solenoid 2. 16 - additional spark gap of the solenoid, 17 - power capacitor of the solenoid 2, 18 - capacitors generating current in the cord of ionized plasma 14 in the gap 11 between the electrodes 12 and 7, 19 - plasma chamber, 20 - additional spark gap of the power supply of the electrodes 12 and 7.

Способ и устройство реализуются в конструкции, которая содержит плазменную камеру 19, в стальном корпусе 5 которой, размещен соленоид 2, витки которого изолированы межвитковой текстолитовой изоляцией 1, а по оси соленоида 2 расположены осесимметричные анод 12 и катод 7, выполненные из Al в форме полусферических электродов Роговского, зазор 11 между ними регулируется с помощью колпачков 10 вращающихся по резьбе на втулке 4 и составляет 3 мм. Соленоид изолирован с помощью текстолитового кожуха 6 от стального бандажа 8 соленоида 2, при этом в кожухе 6 и бандаже 8 выполнены каналы, а в корпусе 5 выполнены кварцевые окошки 9 для изучения развития искрового канала в зазоре 11 между электродами 12 и 7. С целью обеспечения поддержания в плазменной камере 19 давления 1х105Па – 2х106Па вводы электродов 12 и 7 изолированы с помощью вакуумных уплотнителей 3. Катод 7 заземлен. На анод 12 через дополнительный вакуумный разрядник 20 подключены конденсаторы 18 создающие ток в шнуре ионизированной плазмы 14 в зазоре 11 между электродами 12 и 7. Конденсаторы 18 и дополнительный вакуумный разрядник 20 образуют импульсный источник энергии, а формирователем импульса выступает собственная индуктивность разрядной цепи в режиме короткого замыкания разрядника 20, при разряде конденсаторов 18 через сопротивление плазменного шнура 13 между электродами 12 и 7. В качестве блока управления магнитным полем в устройстве используется конденсатор 17, разряжаемый на соленоид 2 через дополнительный искровой разрядник 16. При этом соленоид 2 создает в зазоре 11 импульс продольного магнитного поля 15, а ток в плазменном шнуре 13 создает в зазоре 11 радиальное магнитное поле 14, обеспечивая самосжимание плазменного шнура 13 за счет эффекта импульсного z-пинча. Формирователь продольного импульса электрического поля с помощью внешней схемы, не показанной на рисунках, синхронизован с блоком управления магнитным полем, и обеспечивает формирование продольного импульса электрического поля во время действия в зазоре импульса магнитного поля, сформированного с помощью соленоида 2 и блока управления магнитным полем.The method and device are implemented in a structure that contains a plasma chamber 19, in a steel casing 5 of which a solenoid 2 is placed, the turns of which are isolated by inter-turn textolite insulation 1, and axisymmetric anode 12 and cathode 7 are made along the axis of solenoid 2, made of Al in the form of hemispherical Rogowski electrodes, the gap 11 between them is regulated by caps 10 rotating on the thread on the sleeve 4 and is 3 mm The solenoid is isolated by means of a textolite casing 6 from the steel band 8 of the solenoid 2, while channels are made in the casing 6 and the band 8, and quartz windows 9 are made in the case 5 to study the development of the spark channel in the gap 11 between the electrodes 12 and 7. In order to ensure maintaining in the plasma chamber 19 a pressure of 1x10 5 Pa - 2x10 6 Pa, the inputs of the electrodes 12 and 7 are isolated using vacuum seals 3. The cathode 7 is grounded. Capacitors 18 are connected to the anode 12 through an additional vacuum discharger 20, creating a current in the cord of ionized plasma 14 in the gap 11 between the electrodes 12 and 7. The capacitors 18 and the additional vacuum discharger 20 form a pulsed energy source, and the pulse shaper acts as the inductance of the discharge circuit in the short-circuit mode circuit of the spark gap 20, when the capacitors 18 are discharged through the resistance of the plasma cord 13 between the electrodes 12 and 7. As a magnetic field control unit, the device uses a capacitor 17 discharged to the solenoid 2 through an additional spark gap 16. In this case, the solenoid 2 generates a pulse in the gap 11 longitudinal magnetic field 15, and the current in the plasma cord 13 creates a radial magnetic field 14 in the gap 11, providing self-compression of the plasma cord 13 due to the effect of a pulsed z-pinch. The generator of the longitudinal electric field pulse using an external circuit, not shown in the figures, is synchronized with the magnetic field control unit, and ensures the formation of a longitudinal electric field pulse during the action of the magnetic field pulse generated by the solenoid 2 and the magnetic field control unit in the gap.

Устройство работает при осуществлении способа следующим образом. Плазменная камера 19 откачивают и наполняют аргоном до давления 3х105 Па. Конденсаторы 18 предварительно заряжают до U0. Конденсатор 17 емкостью 1800 мкФ предварительно заряжают до напряжения 5 кВ. Начальную концентрацию ~1013 – 1014м-3 электронов в зазоре 11 создают за счет предварительной ионизации газа облучением ультрафиолетовым излучением искры подсветки (не показана на рисунках), которая расположена в плазменной камере 19 сбоку на расстоянии 6 см от оси электродов 12 и 7. Продолжительность светового импульса подсветки составляет 600 нс. Через 100 - 150 нс после подсветки запускают разрядник 16 и конденсатор 17 разряжают через соленоид 2, индуктивность которого составляла 5·10-6 Гн, за время 600 мкс. При этом в соленоиде 2 создается импульс продольного магнитного поля с напряженностью в максимуме 1,6х107А/м. Распределение поля внутри зазора 11 изменяется вблизи электродов 12, 7 и показано на фиг.3 Еще через 200 мкс запускают разрядник 20 и конденсаторы 18 разряжают через зазор 11, в котором формируется искровой канал. Осциллограмма импульса магнитного поля соленоида 2 в зазоре 11 с меткой, соответствующей импульсу тока в зазоре 11 между электродами 12 и 7 показана на фиг.2.The device operates in the implementation of the method as follows. The plasma chamber 19 is pumped out and filled with argon to a pressure of 3x10 5 Pa. Capacitors 18 are precharged to U 0 . The capacitor 17 with a capacity of 1800 uF is precharged to a voltage of 5 kV. The initial concentration of ~ 10 13 - 10 14 m -3 electrons in the gap 11 is created due to preliminary ionization of the gas by irradiation with ultraviolet radiation from a backlight spark (not shown in the figures), which is located in the plasma chamber 19 at a distance of 6 cm from the axis of the electrodes 12 and 7 The duration of the light pulse of the backlight is 600 ns. 100 to 150 ns after the backlight, the arrester 16 is started and the capacitor 17 is discharged through a solenoid 2, the inductance of which is 5 · 10 -6 H, for a time of 600 μs. In this case, a longitudinal magnetic field pulse with a maximum intensity of 1.6x10 7 A / m is created in solenoid 2. The field distribution inside the gap 11 changes near the electrodes 12, 7 and is shown in FIG. 3 After another 200 μs, the spark gap 20 is started and the capacitors 18 are discharged through the gap 11, in which the spark channel is formed. The waveform of the magnetic field pulse of the solenoid 2 in the gap 11 with a label corresponding to the current pulse in the gap 11 between the electrodes 12 and 7 is shown in figure 2.

Функции термоизоляции и нагревания плазмы выполняются за счет собственных и внешних магнитных полей, и кратковременный импульс тока, который разряжается через газ во внешнем сильном продольном магнитном поле до 500 кЭ. За счет взаимодействия тока с собственным радиальным магнитным полем (~100 кЭ) в сочетании с одновременным внешним продольным сильным магнитным полем (~500 кЭ) происходит сжатие плазменного шнура к оси разряда. Взрывообразное расширение искрового канала, сгущая линии магнитного поля на катодных и анодных пятнах уменьшают его по центру в плазме искрового канала, тем самым создавая магнитную ловушку (пробкотрон). Плазма, оказывается отделенной от стенок сосуда собственным и внешним магнитными полями и нагревается за счет работы сил сжатия и джоулева тепла в течение 50 мкс.The functions of thermal insulation and plasma heating are performed due to their own and external magnetic fields, and a short-term current pulse, which is discharged through a gas in an external strong longitudinal magnetic field of up to 500 kOe. Due to the interaction of the current with its own radial magnetic field (~ 100 kOe) in combination with a simultaneous external longitudinal strong magnetic field (~ 500 kOe), the plasma cord is compressed to the discharge axis. Explosive expansion of the spark channel, thickening the lines of the magnetic field at the cathode and anode spots reduce it in the center in the plasma of the spark channel, thereby creating a magnetic trap (mirror cell). The plasma turns out to be separated from the vessel walls by its own and external magnetic fields and is heated due to the work of compression forces and Joule heat for 50 μs.

В таблице 1 даны, рассчитанные по вольтамперным характеристикам значения напряженности магнитного поля плазменного шнура 14 Нкан, соленоида 2 Hсолен, и результирующая Нрез, тепловая скорость электронов V, ларморовский радиус, период ларморовской орбиты Т, частота ларморовской процессии н и длина волны бетатронного излучения л.Table 1 shows the values of the magnetic field strength of the plasma cord calculated by the current-voltage characteristics of 14 N channel , the solenoid 2 H salt , and the resulting N cut , electron thermal velocity V, Larmor radius, Larmor orbit period T, Larmor procession frequency n and betatron wavelength radiation l.

В таблице 2 приведены экспериментальные данные напряжения U(t), тока I(t), и радиуса искрового канала r(t), а так же вычисленные по формулам значения удельной проводимости

Figure 00000001
сопротивления искрового канала
Figure 00000002
температуры электронов
Figure 00000003
температуры по Джоулеву нагреву ТДж, плотности тока
Figure 00000004
и мощности, вкладываемой в разряд
Figure 00000005
в аргоне при значениях напряженности продольного магнитного поля Н=1,6х107 А/м, прикладываемого напряжения пробоя Uпр=6,65 кВ, d=0,003 м, и напряжении статического пробоя Uст=4.5 кВ, р=3х105 Па, L~10-8 Гн, С=10-6 Ф. Температура электронов плазменного шнура в период времени 213–300 нс, отсчитываемого от переднего фронта импульса напряжения подаваемого на разрядный промежуток, превышает 106 К, превышая в максимуме 1,4х106 К, т.е. плазма становится высокотемпературной.Table 2 shows the experimental data on the voltage U (t), current I (t), and the radius of the spark channel r (t), as well as the conductivity calculated by the formulas
Figure 00000001
spark channel resistance
Figure 00000002
electron temperatures
Figure 00000003
Joule heating temperature T J , current density
Figure 00000004
and power invested in discharge
Figure 00000005
in argon at values of longitudinal magnetic field strength N = 1.6x10 7 A / m, applied breakdown voltage U pr = 6.65 kV, d = 0.003 m, and static breakdown voltage U st = 4.5 kV, p = 3x10 5 Pa, L ~ 10 -8 H, C = 10 -6 F. The electron temperature of the plasma cord in the period 213–300 ns, counted from the leading edge of the voltage pulse supplied to the discharge gap, exceeds 10 6 K, exceeding a maximum of 1.4 × 10 6 K , i.e. plasma becomes high temperature.

Таким образом, достигаются технические результаты группы изобретений. Реализована возможность получения высокотемпературной плазмы в заявленном устройстве, заявленным способом.Thus, the technical results of the group of inventions are achieved. The possibility of obtaining high-temperature plasma in the claimed device, the claimed method.

Claims (26)

1. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы, в котором два металлических электрода располагают с зазором, где создают импульс продольного электрического поля, с помощью которого создают в зазоре шнур ионизированной плазмы, отличающийся тем, что в зазоре предварительно создают импульс продольного магнитного поля, причем ток в созданном шнуре ионизированной плазмы поддерживают таким, что его магнитное поле обеспечивает сжатие сформированного плазменного шнура за счет эффекта импульсного z-пинча, при этом амплитуда импульса продольного магнитного поля обеспечивает стабилизацию шнура ионизированной плазмы, а длительность импульса продольного магнитного поля превышает длительность импульса продольного электрического поля.1. A method of obtaining a stabilized high-temperature plasma, in which two metal electrodes are placed with a gap, where a longitudinal electric field pulse is generated, by which an ionized plasma cord is created in the gap, characterized in that a longitudinal magnetic field pulse is preliminarily created in the gap, the current being The created cord of ionized plasma is maintained in such a way that its magnetic field compresses the generated plasma cord due to the pulse z-pinch effect, while the amplitude of the longitudinal magnetic field pulse stabilizes the cord of the ionized plasma, and the pulse length of the longitudinal magnetic field exceeds the pulse duration of the longitudinal electric field. 2. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что в зазоре создают шнур полностью ионизованной плазмы.2. A method for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 1, characterized in that a cord of fully ionized plasma is created in the gap. 3. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что импульсное продольное магнитное поле в зазоре создают однородным.3. The method of producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 1, characterized in that the pulsed longitudinal magnetic field in the gap is uniform. 4. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что металлические электроды изготавливают осесимметричными и располагают на одной оси.4. The method of obtaining a stabilized high-temperature plasma according to claim 1, characterized in that the metal electrodes are made axisymmetric and placed on the same axis. 5. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что шнур ионизированной плазмы формируют за счет искрового разряда.5. A method for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 1, characterized in that the cord of ionized plasma is formed due to a spark discharge. 6. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что шнур ионизированной плазмы формируют за счет искрового разряда в газовой среде с давлением в диапазоне 1х105 Па–2х106 Па.6. A method for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 1, characterized in that the cord of ionized plasma is formed due to a spark discharge in a gaseous medium with a pressure in the range of 1 × 10 5 Pa – 2 × 10 6 Pa. 7. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что создают импульс продольного магнитного поля с амплитудой, превышающей амплитуду собственного магнитного поля разряда.7. A method for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 1, characterized in that a longitudinal magnetic field pulse is generated with an amplitude exceeding the amplitude of the discharge’s own magnetic field. 8. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что электроды изготавливают из Al, и/или Cu, и/или Fe.8. The method for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 1, characterized in that the electrodes are made of Al, and / or Cu, and / or Fe. 9. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что импульс продольного магнитного поля в зазоре создают длительностью в диапазоне от 10 мкс до 10 с. 9. A method for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 1, characterized in that a longitudinal magnetic field pulse in the gap is created with a duration in the range from 10 μs to 10 s. 10. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что импульс продольного магнитного поля в зазоре создают с амплитудой в диапазоне от 1,5х107 А/м до 4х107 А/м.10. The method of producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 1, characterized in that the longitudinal magnetic field pulse in the gap is created with an amplitude in the range from 1.5x10 7 A / m to 4x10 7 A / m. 11. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что импульс продольного электрического поля в зазоре создают с длительностью в диапазоне от 20 до 50 мкс.11. The method of producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 1, characterized in that a longitudinal electric field pulse in the gap is created with a duration in the range from 20 to 50 μs. 12. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что импульс продольного электрического поля в зазоре создают вблизи момента достижения максимума импульса продольного магнитного поля.12. The method of obtaining a stabilized high-temperature plasma according to claim 1, characterized in that the longitudinal electric field pulse in the gap is created near the moment of reaching the maximum longitudinal magnetic field pulse. 13. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что импульс продольного электрического поля в зазоре создают с амплитудой в диапазоне от 2х106 В/м до 7х106 В/м и передним фронтом длительностью не более чем 10 нс.13. The method for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 1, characterized in that the longitudinal electric field pulse in the gap is created with an amplitude in the range from 2x10 6 V / m to 7x10 6 V / m and a leading edge of no more than 10 ns. 14. Способ получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем, что его осуществляют в импульсно-периодическом режиме с временными промежутками между импульсами в диапазоне 2–5 с.14. The method of producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 1, characterized in that it is carried out in a pulse-periodic mode with time intervals between pulses in the range of 2-5 s. 15. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы, которое содержит импульсный источник энергии, формирователь импульса и плазменную камеру с осесимметричными электродами, отличающееся тем, что осесимметричные электроды расположены с зазором на одной оси внутри плазменной камеры, а устройство также содержит соленоид и блок управления магнитным полем, выполненные с возможностью создания в зазоре импульса продольного магнитного поля, при этом импульсный источник энергии и формирователь импульса выполнены с возможностью создания в зазоре импульса продольного электрического поля, способного сформировать в зазоре шнур ионизированной плазмы, величина тока в котором обеспечивает сжатие плазменного шнура за счет эффекта импульсного z-пинча, причем формирователь продольного импульса электрического поля синхронизован с блоком управления магнитным полем, с возможностью обеспечения формирования импульса продольного импульса электрического поля во время действия в зазоре импульса магнитного поля, сформированного с помощью соленоида и блока управления магнитным полем.15. A device for producing a stabilized high-temperature plasma, which contains a pulsed energy source, a pulse shaper and a plasma chamber with axisymmetric electrodes, characterized in that the axisymmetric electrodes are located with a gap on the same axis inside the plasma chamber, and the device also contains a solenoid and a magnetic field control unit made with the possibility of creating a longitudinal magnetic field pulse in the gap, while the pulsed energy source and pulse shaper are configured to create a longitudinal electric field pulse in the gap, capable of forming an ionized plasma cord in the gap, the magnitude of the current in which compresses the plasma cord due to the effect pulsed z-pinch, and the shaper of the longitudinal pulse of the electric field is synchronized with the control unit of the magnetic field, with the possibility of ensuring the formation of a pulse of a longitudinal pulse of the electric field during operation in the gap imp the magnetic field generated by the solenoid and the magnetic field control unit. 16. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что зазор между двумя металлическими электродами выполнен шириной 1–10 мм.16. A device for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 15, characterized in that the gap between the two metal electrodes is 1-10 mm wide. 17. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что металлические электроды выполнены в форме полусферических электродов Роговского.17. A device for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 15, characterized in that the metal electrodes are made in the form of hemispherical Rogowski electrodes. 18. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что электроды выполнены из Al, и/или Cu, и/или Fe.18. A device for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 15, wherein the electrodes are made of Al, and / or Cu, and / or Fe. 19. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что соленоид, и блок управления магнитным полем, выполнены с возможностью создания в зазоре импульсного продольного магнитного поля длительностью в диапазоне от 300 до 600 мкс.19. The device for producing a stabilized high-temperature plasma according to Claim 15, wherein the solenoid and the magnetic field control unit are configured to create a longitudinal longitudinal magnetic field in the gap with a duration in the range of 300 to 600 μs. 20. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что соленоид, и блок управления магнитным полем, выполнены с возможностью создания импульсного продольного магнитного поля с амплитудой в диапазоне от 1,5х107 А/м до 4х107 А/м.20. The device for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 15, characterized in that the solenoid and the magnetic field control unit are configured to create a pulsed longitudinal magnetic field with an amplitude in the range from 1.5x10 7 A / m to 4x10 7 A / m 21. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что импульсный источник энергии и формирователь импульса выполнены с возможностью создания в зазоре импульсного электрического поля с длительностью в диапазоне от 20 до 50 мкс.21. The device for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 15, characterized in that the pulsed energy source and pulse shaper are configured to create a pulsed electric field in the gap with a duration in the range from 20 to 50 μs. 22. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что импульсный источник энергии и формирователь импульса выполнены с возможностью создания в зазоре импульсного электрического поля амплитудой в диапазоне от 2х106 В/м до 7х106 В/м и передним фронтом длительностью не более чем 10 нс.22. The device for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 15, characterized in that the pulsed energy source and pulse shaper are configured to create a pulsed electric field in the gap with an amplitude in the range from 2x10 6 V / m to 7x10 6 V / m and a leading edge lasting no more than 10 ns. 23. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что импульсный источник энергии и формирователь импульса выполнены с возможностью создания в зазоре импульсного электрического поля вблизи момента достижения максимума импульса продольного магнитного поля.23. The device for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 15, characterized in that the pulsed energy source and pulse shaper are configured to create a pulsed electric field in the gap near the moment the maximum pulse of the longitudinal magnetic field is reached. 24. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что выполнено с возможностью работы в импульсно-периодическом режиме с временными промежутками между импульсами продольного магнитного поля в диапазоне 2–5 с.24. A device for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 15, characterized in that it is configured to operate in a pulse-periodic mode with time intervals between pulses of a longitudinal magnetic field in the range of 2-5 s. 25. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что плазменная камера выполнена с возможностью заполнения газом под давлением 1х105 Па–2х106 Па.25. The device for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 15, characterized in that the plasma chamber is configured to be filled with gas under a pressure of 1x10 5 Pa – 2x10 6 Pa. 26. Устройство для получения стабилизированной высокотемпературной плазмы по п.15, отличающееся тем, что плазменная камера выполнена с возможностью освещения зазора ультрафиолетовым светом от дополнительного искрового разрядника.26. The device for producing a stabilized high-temperature plasma according to claim 15, characterized in that the plasma chamber is configured to illuminate the gap with ultraviolet light from an additional spark gap.
RU2020100941A 2020-01-14 2020-01-14 Method and device for producing high-temperature plasma with magnetic stabilization of z-pinch RU2725439C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020100941A RU2725439C1 (en) 2020-01-14 2020-01-14 Method and device for producing high-temperature plasma with magnetic stabilization of z-pinch

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020100941A RU2725439C1 (en) 2020-01-14 2020-01-14 Method and device for producing high-temperature plasma with magnetic stabilization of z-pinch

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2725439C1 true RU2725439C1 (en) 2020-07-02

Family

ID=71509936

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020100941A RU2725439C1 (en) 2020-01-14 2020-01-14 Method and device for producing high-temperature plasma with magnetic stabilization of z-pinch

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2725439C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4687617A (en) * 1985-02-20 1987-08-18 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Steady-state inductive spheromak operation
US5760496A (en) * 1996-04-23 1998-06-02 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Inverse-pinch voltage pulse generator
RU2297117C1 (en) * 2005-08-15 2007-04-10 Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии Device for producing impulse roentgen and neutron radiation
RU2408171C1 (en) * 2009-09-28 2010-12-27 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Apparatus for generating high-temperature plasma and neutron radiation
RU2586993C1 (en) * 2015-04-07 2016-06-10 Сергей Викторович Севцов Centrifugal z-pinch

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4687617A (en) * 1985-02-20 1987-08-18 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Steady-state inductive spheromak operation
US5760496A (en) * 1996-04-23 1998-06-02 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Inverse-pinch voltage pulse generator
RU2297117C1 (en) * 2005-08-15 2007-04-10 Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии Device for producing impulse roentgen and neutron radiation
RU2408171C1 (en) * 2009-09-28 2010-12-27 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Apparatus for generating high-temperature plasma and neutron radiation
RU2586993C1 (en) * 2015-04-07 2016-06-10 Сергей Викторович Севцов Centrifugal z-pinch

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3969628A (en) Intense, energetic electron beam assisted X-ray generator
Larsson Gas-discharge closing switches and their time jitter
Bogolyubov et al. A powerful soft X-ray source for X-ray lithography based on plasma focusing
Li et al. Repetitive gas-discharge closing switches for pulsed power applications
Kovalchuk et al. Plasma-filled diode in the electron accelerator on base of a pulsed linear transformer
Rahaman et al. Investigation of spark-gap discharge in a regime of very high repetition rate
Parkevich et al. Laser-triggered gas switch with subnanosecond jitter and breakdown delay tunable over∼ 0.1–10 ns governed by the spark gap ignition angle
RU2725439C1 (en) Method and device for producing high-temperature plasma with magnetic stabilization of z-pinch
US11758638B2 (en) Apparatus for producing a filamented auxiliary discharge for an apparatus for producing x-radiation and particle radiation and also for a fusion reactor with the apparatus for producing x-radiation and particle radiation and method for producing x-radiation and particle radiation
Shi et al. Effect of high-voltage electrode geometry on energy deposition into exploding wire in vacuum
Szasz et al. Critical parameters of the pumping scheme of Ar+ 8 Lasers Excited by Z Pinches in Long Capilaries
Lateef et al. New design and construction of high-voltage high-current pseudospark switch
Dubinov et al. Generators of high-power high-frequency pulses based on sealed-off discharge chambers with hollow cathode
Ren et al. Measurement of optical spectrum and mass spectrum in vacuum surface flashover for polymeric materials
Brussaard et al. A 2.5-MV subnanosecond pulser with laser-triggered spark gap for the generation of high-brightness electron bunches
Tsybin et al. Neutron generation in small sealed accelerating tubes
Lomaev et al. Formation of coniform microdischarges in KrCl and XeCl excimer lamps
RU2751542C1 (en) Gas-discharge generator of high-frequency pulses
Huang et al. Electrical and Optical Diagnosis of Underwater Pulsed Arc Discharge at Different Conductivities
Chepusov et al. Investigation of Annular Explosive-Emission Cathodes of the Conductor–Insulator Structure
Liu et al. A gas switch triggered by a microhollow cathode discharge (MHCD) array with lower trigger energy
Selemir et al. A high-power vircator based on an ironless linear induction accelerator of electrons
Hsu et al. A high‐power electron beam source based on the superemissive cathode
Feng et al. Erosion Pits Distribution Characteristics of Nanosecond Pulse Gas Spark Switches at Different Repetition Rates
Sorokin et al. Plasma-processing reactor for the production and treatment of nanoscale structures for nanoelectronics