RU2736311C1 - Device for charged particles retention - Google Patents

Device for charged particles retention Download PDF

Info

Publication number
RU2736311C1
RU2736311C1 RU2019141829A RU2019141829A RU2736311C1 RU 2736311 C1 RU2736311 C1 RU 2736311C1 RU 2019141829 A RU2019141829 A RU 2019141829A RU 2019141829 A RU2019141829 A RU 2019141829A RU 2736311 C1 RU2736311 C1 RU 2736311C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetic field
electrons
plasma
coils
potential
Prior art date
Application number
RU2019141829A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Сергеевич Клёнов
Original Assignee
Виктор Сергеевич Клёнов
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 Виктор Сергеевич Клёнов filed Critical Виктор Сергеевич Клёнов
Priority to RU2019141829A priority Critical patent/RU2736311C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2736311C1 publication Critical patent/RU2736311C1/en

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
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/02—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma
    • H05H1/04—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma using magnetic fields substantially generated by the discharge in the plasma
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Landscapes

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

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to a device for holding charged particles, particularly, to obtaining and retaining high-temperature plasma and can be used to create neutron radiation sources. Device includes a vacuum chamber, a set of current coils located on the surface enclosing the central area of the device and connected in such a way that, when the current flows, the like poles of the magnetic field generated by each of the said coils are directed to the centre of the device, as well as electrodes located on axial power lines of magnetic flux generated when current flows through coils. In such magnetic field the negative volumetric charge of electrons promotes retention of positive ions.EFFECT: technical result is reduced losses of plasma electrons and longer time for holding charged particles in trap.3 cl, 3 dwg

Description

Область техникиTechnology area

Изобретение относится к области техники получения и удержания высокотемпературной плазмы и может быть использовано для создания источников нейтронного излучения.The invention relates to the field of technology for obtaining and retaining high-temperature plasma and can be used to create sources of neutron radiation.

Уровень техникиState of the art

Известно устройство для удержания заряженных частиц, описанное в [Документ 1 - Патент США 4826646, опубликовано 2.05.1989]. Данное устройство содержит систему токовых катушек для создания квази сферически-симметричного магнитного поля «касповой» геометрии, причем все «каспы» магнитного поля являются точечными «каспами», содержит также инжектор электронов для создания в центральной области магнитного поля пространственного заряда, создающего отрицательную потенциальную яму, инжектора положительных ионов для инжекции положительных ионов в потенциальную яму, образованную отрицательным пространственным зарядом. Токовые катушки в этом устройстве располагаются на гранях правильного многогранника или усеченного правильного многогранника «Каспы» магнитного поля в такой магнитной системе лежат на прямых, проходящих через центр правильного многогранника и центры его граней, а также через центр многогранника и его вершины. В частном случае правильного многогранника с числом граней равным шести и числом вершин равным восьми (куб) число «каспов» равно 14.A device for holding charged particles is known, as described in [Document 1 - US Patent 4,826,646, published 2.05.1989]. This device contains a system of current coils for creating a quasi-spherically symmetric magnetic field of "cusp" geometry, and all "cusps" of the magnetic field are point "cusps", also contains an electron injector to create a space charge in the central region of the magnetic field, creating a negative potential well , a positive ion injector for injecting positive ions into a potential well formed by a negative space charge. The current coils in this device are located on the faces of a regular polyhedron or a truncated regular polyhedron "Kaspa" of the magnetic field in such a magnetic system lie on straight lines passing through the center of the regular polyhedron and the centers of its faces, as well as through the center of the polyhedron and its vertex. In the special case of a regular polyhedron with the number of faces equal to six and the number of vertices equal to eight (cube), the number of "cusps" is 14.

Важным положительным свойством «касповой» геометрии магнитного поля является нарастание модуля величины магнитной индукции во всех направлениях от центра системы, при этом вектор кривизны силовых линий магнитного поля направлен от удерживаемой плазмы. Этим достигается магнитогидродинамическая устойчивость плазмы, удерживаемой в ловушке.An important positive property of the "cusp" geometry of the magnetic field is the increase in the modulus of the value of the magnetic induction in all directions from the center of the system, while the vector of curvature of the magnetic field lines is directed from the confined plasma. This achieves the magnetohydrodynamic stability of the plasma confined in the trap.

В такой системе можно пренебречь потерями, связанными с МГД-неустойчивостями и основными потерями считать потери частиц через «каспы» магнитного поля.In such a system, the losses associated with MHD instabilities can be neglected and the main losses can be considered the losses of particles through the magnetic field cusps.

В этом устройстве инжектируемые в центральную область магнитного поля электроны удерживаются «касповым» магнитным полем и создают облако пространственного заряда, образующего потенциальную яму для положительных ионов. В поле этого пространственного заряда положительные ионы удерживаются и ускоряются от периферии к центру устройства, достигая в центре устройства энергии, которая определяется глубиной отрицательной электростатической потенциальной ямы. В литературе данное и аналогичные устройства обозначают термином "Поливелл".In this device, electrons injected into the central region of the magnetic field are confined by the "cusp" magnetic field and create a space charge cloud that forms a potential well for positive ions. In the field of this space charge, positive ions are held and accelerated from the periphery to the center of the device, reaching the energy in the center of the device, which is determined by the depth of the negative electrostatic potential well. In the literature, this and similar devices are referred to by the term "Polywell".

В этом устройстве для получения потенциальной ямы величиной U0 необходимо инжектировать электронные пучки с энергией, по крайней мере, превышающей величину q×U0, где q - заряд электрона. Ток инжектируемого электронного пучка должен выбираться такой величины, чтобы в стационарном режиме компенсировать уход электронов через "каспы" магнитного поля.In this device, to obtain a potential well with a value of U 0, it is necessary to inject electron beams with an energy at least exceeding the value of q × U 0 , where q is the electron charge. The current of the injected electron beam should be chosen such that it compensates for the escape of electrons through the magnetic field cusps in the stationary regime.

Время удержания электрона τе0 в таком устройстве определяется временем пролета электрона через центральную область τtransit и эффективным пробочным отношениемThe electron confinement time τ е0 in such a device is determined by the time of flight of the electron through the central region τ transit and the effective mirror ratio

Figure 00000001
Figure 00000001

где R - характерный радиус центральной области, в которой электроны удерживаются «касповым» магнитным полем;where R is the characteristic radius of the central region in which the electrons are held by the "cusp" magnetic field;

Ve - скорость электронов;V e is the speed of electrons;

М* - эффективное пробочное отношениеM * - effective plug ratio

Эффективное пробочное отношение М* определяется величинами В0 и Bmin,The effective mirror ratio М * is determined by the values В 0 and B min ,

Figure 00000002
Figure 00000002

где В0 - максимальная магнитная индукция в области «каспа» магнитного поля;where В 0 - maximum magnetic induction in the area of the "cusp" of the magnetic field;

Bmin - значение магнитной индукции, при которой электрон теряет свой адиабатический инвариант. Значение Bmin можно определить из соотношения [Документ 2 - FORMING AND MAINTAINING A POTENTIAL WELL IN A QUASISPHERICAL MAGNETIC TRAP, N. Krall, M. Coleman, K. Maffeei, J. Lovberg, R. Jacobsen, R. Bussard, Physics of Plasma 2(1), January 1995, p. 1]B min is the value of the magnetic induction at which the electron loses its adiabatic invariant. The B min value can be determined from the ratio [Document 2 - FORMING AND MAINTAINING A POTENTIAL WELL IN A QUASISPHERICAL MAGNETIC TRAP, N. Krall, M. Coleman, K. Maffeei, J. Lovberg, R. Jacobsen, R. Bussard, Physics of Plasma 2 (1), January 1995, p. 1]

Figure 00000003
Figure 00000003

где re - гирорадиус электрона,

Figure 00000004
where r e - electron gyroradius,
Figure 00000004

me - масса электрона.m e is the electron mass.

Магнитное поле в системе создается катушками, расположенными на гранях правильного многогранника, и может быть представлено на оси системы во внутренней области ловушки при r≤R в видеThe magnetic field in the system is created by coils located on the faces of a regular polyhedron, and can be represented on the axis of the system in the inner region of the trap at r≤R in the form

Figure 00000005
Figure 00000005

где В0 - величина магнитной индукции в области «каспа»;where В 0 - the value of the magnetic induction in the "cusp"area;

n - показатель степени, зависит от числа граней правильного многогранника.n - exponent, depends on the number of faces of the regular polyhedron.

При такой зависимости В(r) с учетом равенства (1) находится эффективное пробочное отношение М*With such a dependence B (r), taking into account equality (1), we find the effective mirror ratio M *

Figure 00000006
Figure 00000006

где Ее - кинетическая энергия электронов,

Figure 00000007
where E e is the kinetic energy of electrons,
Figure 00000007

При показателе спада поля n=3 величина эффективного пробочного отношения равнаFor the field decay index n = 3, the effective mirror ratio is

Figure 00000008
Figure 00000008

Например, при значениях R=1 м, В0=1 Тл, Ее=10 кэВ величина эффективного пробочного отношения составляет М*=177, а время удержания τе0=6 мкс.For example, for values R = 1 m, B 0 = 1 T, E e = 10 keV, the effective plug ratio is M * = 177, and the confinement time is τ e0 = 6 μs.

Недостатком устройства является малое время удержания и высокая скорость ухода электронов через «каспы» магнитного поля.The disadvantage of the device is the short confinement time and high rate of electron escape through the "cusps" of the magnetic field.

Для преодоления этого недостатка аналога было предложено создавать в устройстве плазму со значением β, близким к 1 (β - отношение газокинетического давления плазмы к давлению магнитного поля),To overcome this disadvantage of the analogue, it was proposed to create a plasma in the device with a β value close to 1 (β is the ratio of the gas kinetic plasma pressure to the magnetic field pressure),

Figure 00000009
Figure 00000009

где Р=2neTe, (ne - концентрация электронов плазмы, Те - температура электронов плазмы в энергетических единицах, при этом считается, что концентрации и температуры электронов (ne, Те) и ионов (ni, Ti) примерно равны между собой ne=ni, Те=Ti);

Figure 00000010
(В - магнитная индукция, Тл, μ0 - магнитная проницаемость вакуума μ0=1,26×10-6 Гн × м-1).where Р = 2n e T e , (n e is the concentration of plasma electrons, T e is the temperature of plasma electrons in energy units, while it is assumed that the concentrations and temperatures of electrons (n e , T e ) and ions (n i , T i ) are approximately equal to each other n e = n i , T e = T i );
Figure 00000010
(B - magnetic induction, T, μ 0 - magnetic permeability of vacuum μ 0 = 1.26 × 10 -6 H × m -1 ).

При равенстве газокинетического давления Р и давления магнитного поля РВ плазма полностью вытесняет магнитное поле из занимаемой ею области пространства, при этом весь перепад магнитной индукции концентрируется в переходном слое, шириной примерно равным гирорадиусу электрона re. При этом скорость электронных потерь определяется как поток электронов через «касп» магнитного поля в приближении «отверстий» в виде тонких диафрагм радиусом re.When the gas-kinetic pressure P and the pressure of the magnetic field P B are equal, the plasma completely displaces the magnetic field from the area of space it occupies, while the entire magnetic induction drop is concentrated in the transition layer, approximately equal to the electron gyroradius r e . In this case, the rate of electron losses is defined as the flow of electrons through the "cusp" of the magnetic field in the approximation of "holes" in the form of thin diaphragms of radius r e .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для удержания заряженных частиц, описанное в [Документ 3 - Патентная заявка США US 2015/0380114 А1, опубликована 31.12.2015], выбранное как прототип.The closest in technical essence to the proposed device is a device for retaining charged particles, described in [Document 3 - US Patent Application US 2015/0380114 A1, published on December 31, 2015], selected as a prototype.

Данное устройство содержит камеру реактора, систему токовых катушек, создающих магнитное поле «касповой» геометрии в камере реактора, инициатор плазмы для создания в камере реактора плазмы с высоким значением β, инжектор электронов для создания отрицательного потенциала в камере, который удерживает и ускоряет ионы, инжектор нейтральных атомов.This device contains a reactor chamber, a system of current coils that create a magnetic field of "cusp" geometry in the reactor chamber, a plasma initiator to create a plasma with a high β value in the reactor chamber, an electron injector to create a negative potential in the chamber that retains and accelerates ions, an injector neutral atoms.

В этом устройстве с помощью инициаторов стартовой плазмы в центральной области создается плазма с высоким значением β. Инжекция электронов в центральную область магнитного поля создает в этой области отрицательный объемный заряд и электростатическую потенциальную яму глубиной U0, удерживающую положительные ионы. При равенстве газокинетического давления Р и давления магнитного поля РВ плазма полностью вытесняет магнитное поле из занимаемой ею области пространства. При выполнении этого условия плазму в свободной от магнитного поля области можно считать идеальным газом. Проводимость плазмы без магнитного поля велика и электрические поля в объеме, занятом плазмой, малы.In this device, plasma with a high β value is created in the central region with the help of initiators of the starting plasma. The injection of electrons into the central region of the magnetic field creates in this region a negative space charge and an electrostatic potential well with a depth of U 0 , which holds positive ions. When the gas-kinetic pressure P and the pressure of the magnetic field P B are equal, the plasma completely displaces the magnetic field from the area of space it occupies. If this condition is fulfilled, the plasma in a region free from a magnetic field can be considered an ideal gas. The conductivity of the plasma without a magnetic field is large and the electric fields in the volume occupied by the plasma are small.

В этом устройстве основные потери электронов и ионов происходят через «отверстия» («каспы») в магнитном поле с осями, направленными вдоль осей «каспов». Размеры «отверстия» приблизительно равны величине гирорадиуса электрона re. Ионы при этом удерживаются электростатическим полем пространственного заряда избыточных электронов. В документе [3] при создании плазмы с высоким β (β≈1) скорость электронных потерь определяется как поток электронов через «каспы» магнитного поля в приближении «отверстий» в виде тонких диафрагм радиусом re. Величина этого потока через одиночный «касп» равнаIn this device, the main losses of electrons and ions occur through "holes"("cusps") in a magnetic field with axes directed along the axes of the "cusps". The dimensions of the "hole" are approximately equal to the value of the electron gyroradius r e . In this case, the ions are held by the electrostatic field of the space charge of the excess electrons. In the document [3], when creating a plasma with high β (β≈1), the rate of electron losses is defined as the flow of electrons through the "cusps" of the magnetic field in the approximation of "holes" in the form of thin diaphragms of radius r e . The value of this flux through a single "cusp" is

Figure 00000011
Figure 00000011

где А - численный коэффициент масштаба 3÷10, зависящий от конфигурации магнитного поля;where A is a numerical scale factor of 3 ÷ 10, depending on the configuration of the magnetic field;

ne - концентрация электронов;n e is the concentration of electrons;

ve - скорость электронов в области отрицательного объемного заряда;v e is the speed of electrons in the region of negative space charge;

rec - гирорадиус электрона в области «каспа»

Figure 00000012
r ec - electron gyroradius in the "cusp" region
Figure 00000012

Ее0 - средняя кинетическая энергия электронов в области отрицательного объемного заряда,

Figure 00000013
E e0 is the average kinetic energy of electrons in the region of negative space charge,
Figure 00000013

Полный поток электронов из ловушки составляет Fe1=С×fe1,The total flux of electrons from the trap is F e1 = С × f e1 ,

где С - число «каспов» магнитной системы. Для системы магнитных катушек, расположенных на гранях куба, число «каспов» равно С=14.where C is the number of "cusps" of the magnetic system. For a system of magnetic coils located on the sides of a cube, the number of "cusps" is C = 14.

При выполнении условия β≈1, то есть

Figure 00000014
величина полного потока составляетWhen the condition β≈1 is met, that is
Figure 00000014
the total flow is

Figure 00000015
Figure 00000015

где fe1 - потока электронов через одиночный «касп».where f e1 is the electron flux through a single "cusp".

Из этого соотношения видно, что при выполнении соотношения β≈1, полный поток не зависит от величины магнитной индукции и размеров системы, а определяется величиной кинетической энергии электронов Ее0 и потенциалом объемного заряда U0.It can be seen from this relationship that when the relationship β≈1 is fulfilled, the total flux does not depend on the magnitude of the magnetic induction and the size of the system, but is determined by the magnitude of the kinetic energy of electrons E e0 and the potential of the space charge U 0 .

Характерное время удержания электронов плазмы при этих условиях составляет величинуThe characteristic confinement time of plasma electrons under these conditions is

Figure 00000016
Figure 00000016

где Ne - полное число электронов в системе,where N e is the total number of electrons in the system,

R - радиус, занимаемый плазмой.R is the radius occupied by the plasma.

Выражая энергию электронов в электронвольтах, получаем (для А≈7, С=14)Expressing the energy of electrons in electron volts, we get (for A≈7, C = 14)

Figure 00000017
Figure 00000017

где R выражено в метрах, В - в Тл, Ee0 - в электронвольтах, U0 - в вольтах. При значениях R=1 м, В0=1 Тл, Ее0=10 кэВ, U0=-10 КB, величина времени удержания составляет τе1~0.05 с. При значениях R=0,8 м, В0=5 Тл, Ее0=50 кэВ, U0=-50 КB, (что соответствует значениям, рассматриваемым в прототипе) величина времени удержания составляет около 0.02 с. Величина полного потока энергии, уносимой электронами через «каспы» при Ее0=10 кэВ, U0=-10 КB, составляетwhere R is expressed in meters, V - in T, E e0 - in electron volts, U 0 - in volts. For values R = 1 m, B 0 = 1 T, E e0 = 10 keV, U 0 = -10 KB, the holding time is τ e1 ~ 0.05 s. With values of R = 0.8 m, B 0 = 5 T, E e0 = 50 keV, U 0 = -50 KB, (which corresponds to the values considered in the prototype), the retention time is about 0.02 s. The value of the total energy flux carried away by electrons through the "cusps" at E e0 = 10 keV, U 0 = -10 KB, is

Figure 00000018
Figure 00000018

Недостатком данного устройства является высокая скорость потерь энергии, определяемая скоростью потерь электронов через "каспы" магнитного поля Р1 и недостаточное время удержания электронов в устройстве τе1.The disadvantage of this device is the high rate of energy loss, determined by the rate of loss of electrons through the "cusps" of the magnetic field P 1 and insufficient time of electron confinement in the device τ e1 .

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Задачей данного изобретения являлось создание устройства с увеличенной эффективностью удержания заряженных частиц плазмы при сохранении такой геометрии магнитного поля, в которой вектор кривизны силовых линий магнитного поля везде направлен в сторону от удерживаемой плазмы для выполнения условия магнитогидродинамической устойчивости плазмы и получения плазмы с высоким значением β (β≈1). Конкретным техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение времени удержания заряженных частиц в ловушке за счет снижения потерь электронов плазмы вдоль осевых линий магнитных потоков, создаваемых токовыми катушками.The objective of this invention was to create a device with an increased efficiency of confinement of charged plasma particles while maintaining such a geometry of the magnetic field, in which the vector of curvature of the magnetic field lines is everywhere directed away from the confined plasma to fulfill the condition of magnetohydrodynamic stability of the plasma and obtain a plasma with a high β (β ≈1). A specific technical result of the proposed invention is an increase in the retention time of charged particles in the trap by reducing the loss of plasma electrons along the axial lines of magnetic fluxes generated by the current coils.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для удержания заряженных частиц, включающем вакуумную камеру, инжектор плазмы, инжекторы нейтральных атомов, набор токовых катушек, расположенных на поверхности, охватывающей центральную область устройства и включенных таким образом, что при протекании тока одноименные полюса магнитного поля, создаваемого каждой из указанных катушек, направлены в центр устройства, электроды, расположенные на силовых линиях магнитных потоков, создаваемых при протекании тока через катушки, отличающееся тем, что электроды расположены таким образом, что их поверхности, обращенные к центру устройства, находятся в зоне нарастания величины индукции магнитного поля, создаваемого током, протекающим через катушки, поперечный размер электродов больше величины гирорадиуса электронов, поступающих вдоль силовых линий магнитного поля из центральной области устройства, электроды выполнены с возможностью подачи на них отрицательного потенциала, абсолютная величина которого больше суммы абсолютной величины потенциала объемного заряда в центральной области устройства и средней энергии электронов в области объемного заряда, поделенной на заряд электрона. При этом, по крайней мере, один инжектор нейтральных атомов имеет энергию частиц выше абсолютной величины потенциала объемного заряда в центральной области устройства, умноженной на заряд электрона и по крайней мере, один из электродов выполнен с возможностью эмиссии электронов.The specified technical result is achieved by the fact that in a device for holding charged particles, including a vacuum chamber, a plasma injector, injectors of neutral atoms, a set of current coils located on the surface covering the central region of the device and included in such a way that when current flows, the like poles of the magnetic field created by each of these coils are directed to the center of the device, the electrodes located on the lines of force of the magnetic fluxes created when the current flows through the coils, characterized in that the electrodes are located in such a way that their surfaces facing the center of the device are in the growth zone the magnitude of the induction of the magnetic field created by the current flowing through the coils, the transverse size of the electrodes is greater than the gyroradius of electrons entering along the magnetic field lines from the central region of the device, the electrodes are made with the possibility of supplying them with a negative potential, absolute whose value is greater than the sum of the absolute value of the space charge potential in the central region of the device and the average energy of electrons in the space charge region, divided by the electron charge. In this case, at least one injector of neutral atoms has a particle energy higher than the absolute value of the space charge potential in the central region of the device, multiplied by the electron charge, and at least one of the electrodes is configured to emit electrons.

В предлагаемом устройстве индукция магнитного поля имеет минимум в центре системы и нарастает во всех направлениях при увеличении расстояния от центра. Уход электронов вдоль осевых силовых линий магнитных потоков снижается введением электродов, расположенных на соответствующих осевых силовых линиях магнитных потоков, создаваемых токовыми катушками, которые расположены таким образом, что их поверхности, обращенные к центру устройства, находятся в зоне нарастания величины индукции магнитного поля при протекании тока через катушки. Таким образом вектор кривизны силовых линий магнитного поля направлен в сторону от удерживаемой плазмы во всем объеме, занимаемом плазмой, для выполнения условия магнитогидродинамической устойчивости плазмы. Отрицательный потенциал этих электродов Uc по абсолютной величине больше, чем потенциал объемного заряда U0 в центральной области магнитного поля. В результате попавшие в центральную трубу силовых линий магнитного поля электроны, имеющие кинетическую энергию меньше разницы между потенциалом объемного заряда U0 и потенциалом заряда Uc, умноженной на заряд электрона, отражаются электростатическим потенциалом электродов обратно в центральную область магнитного поля. Результирующий поток электронов fe на поверхность электрода снижается при увеличении отрицательного потенциала Uc пропорционально величине

Figure 00000019
При этом величина ионного потока fi на электрод не зависит от величины потенциала электрода, а определяется потоком ионов через осевую трубку радиусом rec силовых линий магнитного потока и составляетIn the proposed device, the magnetic field induction has a minimum in the center of the system and increases in all directions with increasing distance from the center. The escape of electrons along the axial lines of force of the magnetic fluxes is reduced by the introduction of electrodes located on the corresponding axial lines of force of the magnetic fluxes created by the current coils, which are located in such a way that their surfaces, facing the center of the device, are in the zone of increasing magnitude of the magnetic field induction during the flow of current through the coils. Thus, the vector of curvature of the magnetic field lines is directed away from the confined plasma in the entire volume occupied by the plasma in order to fulfill the condition of the magnetohydrodynamic stability of the plasma. The negative potential of these electrodes Uc is greater in absolute value than the space charge potential U0in the central region of the magnetic field...As a result, electrons trapped in the central tube of the magnetic field lines and having a kinetic energy less than the difference between the space charge potential U0 and charge potential Ucmultiplied by the electron charge are reflected by the electrostatic potential of the electrodes back into the central region of the magnetic field. The resulting electron flux fe on the electrode surface decreases with increasing negative potential Uc proportional to the value
Figure 00000019
In this case, the value of the ion flux fi to the electrode does not depend on the value of the electrode potential, but is determined by the ion flux through the axial tube of radius rec field lines of magnetic flux and is

Figure 00000020
Figure 00000020

где ni - концентрация ионов;where n i is the concentration of ions;

vi - скорость ионов в области отрицательного объемного заряда;v i is the ion velocity in the region of negative space charge;

и при условии ne=ni, Te≈Ti поток ионов fi в

Figure 00000021
раз меньше потока электронов fe1, выраженного формулой (2),
Figure 00000022
and under the condition n e = n i , T e ≈T i , the ion flux f i in
Figure 00000021
times less than the electron flux f e1 expressed by formula (2),
Figure 00000022

где Mi - масса положительного иона.where M i is the mass of the positive ion.

Рационально выбрать такую оптимальную величину запирающего отрицательного потенциала Uc, при которой величина потока электронов сравняется с величиной потока ионовIt is rational to choose such an optimal value of the blocking negative potential U c , at which the magnitude of the electron flux equals the magnitude of the ion flux

Figure 00000023
Figure 00000023

где fe - потока электронов через осевую трубку радиусом rec в предлагаемом устройстве, поскольку при дальнейшем увеличении Uc и снижении fe время жизни частиц в ловушке будет определяться потоком ионов fi.where f e is the electron flux through an axial tube of radius r ec in the proposed device, since with a further increase in U c and a decrease in f e , the lifetime of particles in the trap will be determined by the ion flux f i .

Для плазмы, состоящей из электронов и ионов дейтерия D+, уменьшение потока fe может составлять величину

Figure 00000024
то есть в предлагаемом устройстве поток электронов через осевые трубки радиусом rec силовых линий магнитных потоков примерно в 60 раз меньше, чем в прототипе.For a plasma consisting of electrons and deuterium ions D + , the decrease in the flux f e can be
Figure 00000024
that is, in the proposed device, the flow of electrons through axial tubes of radius r ec of the magnetic flux lines is about 60 times less than in the prototype.

Соответственно, характерное время удержания плазмы в предлагаемом устройстве в сравнении с прототипом увеличивается в

Figure 00000025
т.е. примерно в 60 разAccordingly, the characteristic plasma retention time in the proposed device in comparison with the prototype increases by
Figure 00000025
those. about 60 times

Figure 00000026
Figure 00000026

где Ne - полное число электронов в системе;where N e is the total number of electrons in the system;

Fe=С×fe, - полный поток электронов через осевые трубки радиусом rec силовых линий магнитных потоков системы,F e = С × f e , is the total flux of electrons through the axial tubes of radius r ec of the lines of force of the magnetic fluxes of the system,

R выражено в метрах, В0 - в Тл, Ее0 - в электронвольтах, U0 - в Вольтах.R is expressed in meters, V 0 - in T, E e0 - in electron volts, U 0 - in Volts.

При значениях R=1 м, В0=1 Тл, Ее0=10 кэВ, U0=-10 КB величина времени удержания составляет τе~3 с, что примерно в 60 раз больше, чем в прототипе при одинаковых параметрах плазмы.With the values R = 1 m, B 0 = 1 T, E e0 = 10 keV, U 0 = -10 KB, the retention time is τ e ~ 3 s, which is about 60 times longer than in the prototype with the same plasma parameters.

Величина оптимального запирающего потенциала Uc определяется соотношениемThe value of the optimal blocking potential U c is determined by the relation

Figure 00000027
Figure 00000027

где fe1 - потока электронов через одиночную осевые трубку радиусом rec силовых линий магнитного потока по формуле (2).where f e1 is the electron flux through a single axial tube of radius r ec of the magnetic flux lines of force according to formula (2).

При средней энергии электронов в области объемного заряда Ee0=10 кэВ и потенциале объемного заряда U0=-10 КB величина оптимального запирающего потенциала Uc для снижения электронного потока примерно в 60 раз составляет около - 37 КB в приближении максвелловского распределения электронов по скоростям.With an average electron energy in the space charge region E e0 = 10 keV and a space charge potential U 0 = -10 KB, the value of the optimal blocking potential U c for decreasing the electron flux by about 60 times is about - 37 KB in the approximation of the Maxwellian electron velocity distribution.

Средняя энергия ионов, уходящих через осевые трубкуи радиусом rec силовых линий магнитных потоков при условии Те≈Ti составляет около Ei=Ее0, средняя энергия электронов, уходящих через осевые трубки радиусом rec силовых линий магнитных потоков на электрод при оптимальном запирающем потенциале и максвелловском распределении электронов составляет около Ее≈3,1Ее0. Величина полного потока энергии, уносимой электронами и ионами через осевые трубки радиусом rec силовых линий магнитных потоковThe average energy of the ions leaving through the axial tube and the radius r ec of the magnetic flux lines under the condition Т е ≈T i is about E i = Е е0 , the average energy of the electrons leaving through the axial tubes with the radius r ec of the magnetic flux lines to the electrode at the optimal blocking potential and Maxwell distribution of the electrons is about e e ≈3,1E e0. The value of the total energy flux carried away by electrons and ions through axial tubes of radius r ec of the lines of force of magnetic fluxes

Figure 00000028
Figure 00000028

при Ее0=10 кэВ, U0=-10 КB составляет около 1,6×106 Вт, что примерно в 30 раз меньше, чем в прототипе при одинаковых параметрах плазмы.at E e0 = 10 keV, U 0 = -10 KB is about 1.6 × 10 6 W, which is about 30 times less than in the prototype with the same plasma parameters.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

На Фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство для удержания заряженных частиц в разрезе, где 1 - вакуумная камера, 2 - патрубки, 3 - система вакуумной откачки, 4 - токовые катушки, 5 - инжектор стартовой плазмы, 6 - инжекторы нейтральных атомов, 7 - электроды.FIG. 1 schematically shows the inventive device for holding charged particles in section, where 1 is a vacuum chamber, 2 are nozzles, 3 is a vacuum pumping system, 4 are current coils, 5 is a starting plasma injector, 6 are injectors of neutral atoms, 7 are electrodes.

На Фиг. 2 изображены графики распределения электростатического потенциала и индукции магнитного поля вдоль оси, совпадающей с силовой линией магнитного потока, создаваемого одной из катушек 4, где 21 - график распределения потенциала объемного заряда, 22 - график распределения индукции магнитного поля до инжекции стартовой плазмы, 23 - график распределения индукции магнитного поля после заполнения стартовой плазмой при выполнении условия β≈1, 24 - положение электродов, 25 - положение магнитных катушек, 31 - величина Ее0 - средняя кинетическая энергия электронов в области отрицательного объемного зарядаFIG. 2 shows the graphs of the distribution of the electrostatic potential and the magnetic field induction along the axis coinciding with the line of force of the magnetic flux created by one of the coils 4, where 21 is the graph of the distribution of the space charge potential, 22 is the graph of the distribution of the magnetic field induction before the injection of the starting plasma, 23 is the graph distribution of the magnetic field induction after filling with the starting plasma when the condition β≈1 is fulfilled, 24 - the position of the electrodes, 25 - the position of the magnetic coils, 31 - the value of Е е0 - the average kinetic energy of electrons in the region of negative space charge

На Фиг. 3 изображены графики распределения электростатического потенциала и индукции магнитного поля вдоль оси, не проходящей через осевые трубки радиусом rec силовых линий магнитных потоков, где 21 - график распределения потенциала объемного заряда, 22 - график распределения индукции магнитного поля до инжекции стартовой плазмы, 23 - график распределения индукции магнитного поля после заполнения стартовой плазмой при выполнении условия β≈1, 31 - величина Ее0 - средняя кинетическая энергия электронов в области отрицательного объемного заряда.FIG. 3 shows the graphs of the distribution of the electrostatic potential and the magnetic field induction along an axis that does not pass through the axial tubes of the radius r ec of the magnetic flux lines, where 21 is the graph of the distribution of the space charge potential, 22 is the graph of the distribution of the magnetic field induction before the injection of the starting plasma, 23 is the graph distribution of the magnetic field induction after filling with the starting plasma when the condition β≈1 is met, 31 - the value of E e0 is the average kinetic energy of electrons in the region of negative space charge.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Устройство изображено на Фиг. 1 и содержит вакуумную камеру 1 кубической формы с длиной ребра 1 м с четырнадцатью цилиндрическими патрубками 2 внешним диаметром 30 мм и длиной 300 мм. Оси шести цилиндрических патрубков проходят через центр куба и центры его граней. Оси восьми цилиндрических патрубков проходят через центр куба и его вершины. Система вакуумной откачки 3 позволяет создавать вакуум, по крайней мере, не хуже 1×10-6 Торр. Устройство содержит набор токовых катушек 4, расположенных снаружи вакуумной камеры на поверхностях, образованных гранями куба, причем их оси проходят через центр куба и центры его граней. Катушки подключены к источникам питания таким образом, что при протекании в них тока вектор магнитной индукции на оси каждой катушки направлен в центр устройства. При этом осевые силовые линии магнитных потоков, входящих в центральную область, лежат на прямых, проходящих через центр куба и центры катушек. Осевые силовые линии магнитных потоков, выходящих из центральной области, лежат на прямых, проходящих через центр куба и его вершины.The device is shown in FIG. 1 and contains a cube-shaped vacuum chamber 1 with a rib length of 1 m with fourteen cylindrical nozzles 2 with an outer diameter of 30 mm and a length of 300 mm. The axes of the six cylindrical pipes pass through the center of the cube and the centers of its faces. The axes of eight cylindrical pipes pass through the center of the cube and its vertices. The vacuum pumping system 3 allows creating a vacuum of at least 1 × 10 -6 Torr. The device contains a set of current coils 4 located outside the vacuum chamber on the surfaces formed by the sides of the cube, and their axes pass through the center of the cube and the centers of its faces. The coils are connected to power sources in such a way that when current flows through them, the magnetic induction vector on the axis of each coil is directed to the center of the device. In this case, the axial lines of force of the magnetic fluxes entering the central region lie on straight lines passing through the center of the cube and the centers of the coils. The axial lines of force of the magnetic fluxes emerging from the central region lie on straight lines passing through the center of the cube and its vertices.

Указанные катушки предназначены для создания в вакуумной камере квази сферически-симметричного магнитного поля с минимумом индукции в центре вакуумной камеры и нарастающего до величины индукции около 1,5 Тл в максимумах на осевых силовых линиях магнитных потоков.These coils are designed to create a quasi spherically symmetric magnetic field in the vacuum chamber with a minimum induction in the center of the vacuum chamber and increasing to an induction value of about 1.5 T at the maxima on the axial lines of force of magnetic fluxes.

Устройство содержит инжектор стартовой плазмы 5, инжекторы нейтральных атомов дейтерия 6. Устройство также содержит электроды 7, установленные на оси цилиндрических патрубков с возможностью подачи на них отрицательного напряжения величиной до -100 КВ.The device contains a starting plasma injector 5, injectors of neutral deuterium atoms 6. The device also contains electrodes 7 mounted on the axis of cylindrical pipes with the possibility of supplying them with a negative voltage of up to -100 KV.

Устройство работает следующим образом. В вакуумной камере 1 с помощью системы вакуумной откачки 3 создается разрежение около 1×10-6 Торр. На катушки 4 подается ток, создающий магнитное поле с величиной индукции в «каспах» В0 около 5×10-2 Тл. The device works as follows. In the vacuum chamber 1, a vacuum of about 1 × 10 -6 Torr is created using a vacuum pumping system 3. A current is supplied to the coils 4, which creates a magnetic field with an induction value in the "cusps" B 0 of about 5 × 10 -2 Tesla.

Затем в вакуумную камеру с помощью инжектора плазмы 5 инжектируется стартовая плазма из ионов D+ и электронов с плотностью ne=3×1020 м-3 и температурой электронов и ионов около 10 эВ. На Фиг. 2 изображены графики распределения индукции магнитного поля вдоль оси, совпадающей с силовой линией магнитного потока, создаваемого одной из катушек 4, до инжекции стартовой плазмы (кривая 22) и после заполнения стартовой плазмой при выполнении условия β≈1 (кривая 23). Then, a starting plasma of D + ions and electrons with a density n e = 3 × 10 20 m -3 and an electron and ion temperature of about 10 eV is injected into the vacuum chamber using a plasma injector 5. FIG. 2 shows the graphs of the distribution of the magnetic field induction along the axis coinciding with the line of force of the magnetic flux created by one of the coils 4 before the injection of the starting plasma (curve 22) and after filling with the starting plasma when the condition β≈1 is fulfilled (curve 23).

На Фиг. 3 изображены графики таких же распределений вдоль оси, не проходящей через осевые трубки радиусом rec силовых линий магнитных потоков.FIG. 3 shows the graphs of the same distributions along an axis not passing through axial tubes of radius r ec of the magnetic flux lines.

Измеряется концентрация заряженных частиц и их температура. В соответствии с формулой (3) время удержания ионов D+ при этих условиях составляет около 16 мс, время удержания электронов составляет около 1 с.The concentration of charged particles and their temperature are measured. In accordance with formula (3), the retention time of D + ions under these conditions is about 16 ms, the electron retention time is about 1 s.

Включаются инжекторы 6 нейтральных атомов с энергией 10 кэВ, эквивалентным током около 100 А и суммарной мощностью в пучках около 1 МВт. В столкновениях быстрых атомов D0 с электронами и ионами плазмы в реакцияхInjectors of 6 neutral atoms with an energy of 10 keV, an equivalent current of about 100 A, and a total power in the beams of about 1 MW are switched on. In collisions of fast D 0 atoms with electrons and plasma ions in reactions

D0+D+→D++D++еD 0 + D + → D + + D + + e

D0+е→D++2еD 0 + e → D + + 2e

образуются быстрые (с энергией около 10 кэВ) ионы D+ и электроны с энергией порядка 10 эВ. Гирорадиус ионов D+ с энергией 10 кэВ в магнитном поле с величиной индукции В0=5×10-2 Тл составляет около 0,4 м. Быстрые ионы D+ уходят на стенки вакуумной камеры 1, а электроны с энергией около 10 эВ захватываются магнитным полем ловушки, что приводит к накоплению отрицательного объемного заряда в центральной области устройства.fast (with an energy of about 10 keV) D + ions and electrons with an energy of about 10 eV are formed. The gyroradius of D + ions with an energy of 10 keV in a magnetic field with an induction B 0 = 5 × 10 -2 T is about 0.4 m. Fast D + ions leave the walls of the vacuum chamber 1, and electrons with an energy of about 10 eV are captured by the magnetic field of the trap, which leads to the accumulation of negative space charge in the central region of the device.

Величину потенциала отрицательного объемного заряда можно вычислить в приближении сферического конденсатора, центральным электродом которого является объемный заряд, а внешним электродом - элементы конструкции вакуумной камеры:The magnitude of the negative space charge potential can be calculated in the approximation of a spherical capacitor, the central electrode of which is the space charge, and the external electrode is the structural elements of the vacuum chamber:

Figure 00000029
Figure 00000029

где U0 - потенциал объемного заряда;where U 0 is the space charge potential;

Uз - потенциал внешнего электрода;U z - potential of the external electrode;

Q - накопленный заряд;Q is the accumulated charge;

R - радиус объемного заряда;R is the radius of the space charge;

Rз - радиус внешнего электрода;R s - radius of the outer electrode;

ε0 - диэлектрическая постоянная.ε 0 - dielectric constant.

Величина

Figure 00000030
зависит от величины и геометрии магнитного поля и может составлять около 1,1 или более. Тогда, если потенциал Uз=0 (элементы конструкции, обращенные к плазме, заземлены), величина потенциала U0 составляет околоThe quantity
Figure 00000030
depends on the magnitude and geometry of the magnetic field and can be about 1.1 or more. Then, if the potential U z = 0 (structural elements facing the plasma are grounded), the value of the potential U 0 is about

Figure 00000031
Figure 00000031

Накопленный заряд Q, необходимый для получения потенциала объемного заряда U0 определится отсюда какThe accumulated charge Q required to obtain the space charge potential U 0 is determined from here as

Q=I×τ~10×4πε0U0Rз,Q = I × τ ~ 10 × 4πε 0 U 0 R s ,

где I - входной ток электронов, приносимый в ловушку нейтралами D0;where I is the input current of electrons brought into the trap by neutrals D 0 ;

τ - его длительность.τ is its duration.

Отсюда находится необходимая длительность импульса τ для формирования отрицательного объемного заряда с потенциалом U0 Hence, the required pulse duration τ is found for the formation of a negative space charge with potential U 0

Figure 00000032
Figure 00000032

При величине Rз=0,5 м при инжекции нейтралов D0 с эквивалентным током 100 А потенциал объемного заряда величиной -10 KB образуется через τ≈0,6×10-7 с, что много меньше времени удержания ионов стартовой плазмы 16 мс. После достижения потенциалом объемного заряда величины U0 = -10 КB ионы D+ с энергией 10 кэВ начинают захватываться электростатической потенциальной ямой пространственного заряда. Затем для создания потенциала объемного заряда величиной -40 КB энергия инжекторов атомов D0 увеличивается до 40 кэВ.With the value of R s = 0.5 m during injection of neutrals D 0 with an equivalent current of 100 A, a space charge potential of -10 KB is formed in τ≈0.6 × 10 -7 s, which is much less than the retention time of the starting plasma ions of 16 ms. After the space charge potential reaches the value U 0 = -10 KB, D + ions with an energy of 10 keV begin to be captured by the electrostatic potential well of the space charge. Then, to create a space charge potential of -40 KB, the energy of the atom injectors D 0 is increased to 40 keV.

Одновременно с накоплением объемного заряда и ростом потенциала объемного заряда на электроды 7 подается нарастающий отрицательный потенциал, достигающий величины

Figure 00000033
в конце цикла нагрева плазмы, при котором ток электронов через осевые трубки радиусом rec силовых линий магнитных потоков системы примерно равен току ионов. Графики распределения потенциала объемного заряда показаны кривой 21 на Фиг. 2 и Фиг. 3. На Фиг. 2 также показано положение электродов 24 и магнитных катушек 25.Simultaneously with the accumulation of the space charge and the growth of the space charge potential, an increasing negative potential is supplied to the electrodes 7, reaching the value
Figure 00000033
at the end of the plasma heating cycle, at which the electron current through the axial tubes of radius r ec of the magnetic flux lines of the system is approximately equal to the ion current. The space charge potential distribution plots are shown by curve 21 in FIG. 2 and FIG. 3. In FIG. 2 also shows the position of the electrodes 24 and the magnetic coils 25.

Быстрые ионы в столкновениях передают свою энергию медленным ионам и электронам, происходит нагрев плазмы. Мощность потерь растет при этом в соответствии с формулой (7). В течение всего процесса нагрева измеряется потенциал плазмы, концентрация заряженных частиц, температура плазмы и увеличивается индукция магнитного поля в соответствии с условием

Figure 00000034
Величиной отрицательного потенциала электродов и при необходимости током эмиссии электронов с электрода или энергией инжектора нейтральных атомов поддерживается баланс потерь электронов и ионов и потенциал плазмы.Fast ions in collisions transfer their energy to slow ions and electrons, and the plasma is heated. In this case, the loss power grows in accordance with the formula (7). During the entire heating process, the plasma potential, the concentration of charged particles, and the plasma temperature are measured, and the magnetic induction increases in accordance with the condition
Figure 00000034
The value of the negative potential of the electrodes and, if necessary, the current of electron emission from the electrode or the energy of the injector of neutral atoms maintains the balance of losses of electrons and ions and the potential of the plasma.

В конце цикла нагрева, примерно через 0,5 с после начала, при достижении средней энергии ионов D+ плазмы около 10 кэВ, работа инжекторов нейтральных атомов переходит в стационарный режим поддержания потерь энергии и частиц плазмы. В соответствии с формулой (7) при выравнивании энергии электронов и ионов на уровне 10 кэВ потери энергии из плазмы составляют 3,9×106 Вт. Для компенсации этих потерь энергия инжекции нейтральных атомов D0 составляет величину 40 кэВ при токе около 100 А эквивалентных. Индукция магнитного поля в «каспах» ловушки составляет в конце цикла нагрева и в стационарном режиме около 1,3 Тл, плотность ионов плазмы ni около 3×1020 м-3, средние энергии электронов и ионов на уровне 10 кэВ. Величина средней кинетической энергии ионов отмечена поз. 31 на Фиг. 2 и Фиг. 3.At the end of the heating cycle, approximately 0.5 s after the beginning, when the average energy of the D + ions in the plasma reaches about 10 keV, the operation of the neutral atom injectors goes into a stationary mode of maintaining the energy and plasma particle losses. In accordance with formula (7), when the energies of electrons and ions are equalized at a level of 10 keV, the energy losses from the plasma are 3.9 × 10 6 W. To compensate for these losses, the injection energy of neutral atoms D 0 is 40 keV at a current of about 100 A equivalent. The magnetic field induction in the "cusps" of the trap at the end of the heating cycle and in the stationary mode is about 1.3 T, the density of plasma ions n i is about 3 × 10 20 m -3 , the average energies of electrons and ions are at the level of 10 keV. The value of the average kinetic energy of ions is marked pos. 31 in FIG. 2 and FIG. 3.

Плотность тока ионов Ji на осевых силовых линиях магнитных потоков в точке максимума индукции составляетThe current density of ions J i on the axial lines of force of magnetic fluxes at the point of maximum induction is

Figure 00000035
Figure 00000035

а длина промежутка, на котором сосредоточен перепад потенциала, определяемая из закона «3/2», при потенциале объемного заряда - 40 КB и потенциале электрода - 67 КB составляет около 1,1 мм. Изменение индукции магнитного поля на этой длине трубки силовых линий составляет менее 5% величины индукции в точке максимума и потенциал электрода не влияет на распределение полей в объеме плазмы.and the length of the gap, on which the potential drop is concentrated, determined from the law "3/2", at a space charge potential of 40 KB and an electrode potential of 67 KB is about 1.1 mm. The change in the magnetic field induction over this length of the field line tube is less than 5% of the induction value at the maximum point, and the electrode potential does not affect the field distribution in the plasma volume.

Время удержания электронов и ионов при средней энергии электронов и ионов 10 кэВ, потенциале объемного заряда -40 КB и потенциале электрода - 67 KB, индукции магнитного поля в стационарном режиме 1,3 Тл, радиусе плазмы 0,5 м составляет в данном устройстве около 0,25 с, что примерно в 60 раз больше, чем было бы в прототипе при аналогичных параметрах.The confinement time of electrons and ions with an average energy of electrons and ions of 10 keV, a space charge potential of -40 KB and an electrode potential of 67 KB, magnetic field induction in a stationary mode of 1.3 T, and a plasma radius of 0.5 m is about 0 in this device. , 25 s, which is about 60 times more than it would be in the prototype with similar parameters.

За счет того что в данном устройстве во всем объеме, занятом плазмой, модуль величины магнитной индукции нарастает во всех направлениях от центра системы, вектор кривизны силовых линий магнитного поля направлен от удерживаемой плазмы. Этим достигается магнитогидродинамическая устойчивость плазмы, удерживаемой в ловушке. При использовании устройства в качестве источника нейтронов синтеза в реакцииDue to the fact that in this device, in the entire volume occupied by the plasma, the magnitude of the magnetic induction increases in all directions from the center of the system, the curvature vector of the magnetic field lines is directed from the confined plasma. This achieves the magnetohydrodynamic stability of the plasma confined in the trap. When using the device as a source of fusion neutrons in the reaction

D+D→3Не+nD + D → 3 He + n

при средней энергии ионов D+ около 10 кэВ, плотности плазмы около 3×1020 м-3, объеме, занимаемом плазмой в данном устройстве около 0,5 м3, выход нейтронов синтеза составит около 2×1015 нейтронов в секунду.with an average energy of D + ions of about 10 keV, a plasma density of about 3 × 10 20 m -3 , the volume occupied by the plasma in this device is about 0.5 m 3 , the yield of fusion neutrons will be about 2 × 10 15 neutrons per second.

Claims (3)

1. Устройство для удержания заряженных частиц, включающее вакуумную камеру, инжектор плазмы, инжекторы нейтральных атомов, набор токовых катушек, расположенных на поверхности, охватывающей центральную область устройства, и включенных таким образом, что при протекании тока одноименные полюса магнитного поля, создаваемого каждой из указанных катушек, направлены в центр устройства, электроды, расположенные на осевых силовых линиях магнитных потоков, создаваемых при протекании тока через катушки, отличающееся тем, что электроды расположены таким образом, что их поверхности, обращенные к центру устройства, находятся в зоне нарастания величины индукции магнитного поля, создаваемого током, протекающим через катушки, поперечный размер электродов больше величины гирорадиуса электронов, поступающих вдоль силовых линий магнитного поля из центральной области устройства, электроды выполнены с возможностью подачи на них отрицательного потенциала, абсолютная величина которого больше суммы абсолютной величины потенциала объемного заряда в центральной области устройства и средней энергии электронов в области объемного заряда, поделенной на заряд электрона.1. A device for holding charged particles, including a vacuum chamber, a plasma injector, injectors of neutral atoms, a set of current coils located on the surface covering the central region of the device, and connected in such a way that when a current flows, the same poles of the magnetic field created by each of the indicated coils directed to the center of the device, electrodes located on the axial lines of force of magnetic fluxes created when current flows through the coils, characterized in that the electrodes are located in such a way that their surfaces facing the center of the device are in the zone of increasing magnitude of the magnetic field induction generated by the current flowing through the coils, the transverse size of the electrodes is greater than the gyroradius of the electrons entering along the magnetic field lines from the central region of the device, the electrodes are made with the possibility of supplying them with a negative potential, the absolute value of which is greater the sum of the absolute value of the space charge potential in the central region of the device and the average energy of electrons in the space charge region, divided by the electron charge. 2. Устройство по п. 1, в котором, по крайней мере, один инжектор нейтральных атомов имеет энергию частиц выше абсолютной величины потенциала объемного заряда в центральной области устройства, умноженной на заряд электрона.2. The device according to claim 1, in which at least one injector of neutral atoms has a particle energy higher than the absolute value of the space charge potential in the central region of the device, multiplied by the electron charge. 3. Устройство по п. 1, в котором, по крайней мере, один из электродов выполнен с возможностью эмиссии электронов.3. A device according to claim 1, wherein at least one of the electrodes is configured to emit electrons.
RU2019141829A 2019-12-17 2019-12-17 Device for charged particles retention RU2736311C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141829A RU2736311C1 (en) 2019-12-17 2019-12-17 Device for charged particles retention

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141829A RU2736311C1 (en) 2019-12-17 2019-12-17 Device for charged particles retention

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2736311C1 true RU2736311C1 (en) 2020-11-13

Family

ID=73460777

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019141829A RU2736311C1 (en) 2019-12-17 2019-12-17 Device for charged particles retention

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2736311C1 (en)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2152081C1 (en) * 1996-04-25 2000-06-27 Леонтьев Алексей Алексеевич Magnetic thermonuclear reactor
WO2010008625A2 (en) * 2008-03-27 2010-01-21 Unified Gravity Corporation Fusion heat engine and electrogravity generator methods and applications
US20150380114A1 (en) * 2014-03-11 2015-12-31 Energy Matter Conversion Corporation Method and apparatus of confining high energy charged particles in magnetic cusp configuration
WO2018094043A1 (en) * 2016-11-17 2018-05-24 Krasnoff Curren Fusion reactor
KR101894481B1 (en) * 2017-12-14 2018-09-04 주식회사 메인 Equipment structure for tokamak assembly
US20180330830A1 (en) * 2017-05-08 2018-11-15 Alpha Ring International, Ltd. Hybrid reactor using electrical and magnetic fields
CN208284244U (en) * 2017-11-09 2018-12-25 新奥科技发展有限公司 A kind of electrostatic confinement fusion facility
CN109949947A (en) * 2017-12-21 2019-06-28 通用原子公司 Method and apparatus for alleviating the rupture of fusion device plasma

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2152081C1 (en) * 1996-04-25 2000-06-27 Леонтьев Алексей Алексеевич Magnetic thermonuclear reactor
WO2010008625A2 (en) * 2008-03-27 2010-01-21 Unified Gravity Corporation Fusion heat engine and electrogravity generator methods and applications
US20150380114A1 (en) * 2014-03-11 2015-12-31 Energy Matter Conversion Corporation Method and apparatus of confining high energy charged particles in magnetic cusp configuration
WO2018094043A1 (en) * 2016-11-17 2018-05-24 Krasnoff Curren Fusion reactor
US20180330830A1 (en) * 2017-05-08 2018-11-15 Alpha Ring International, Ltd. Hybrid reactor using electrical and magnetic fields
CN208284244U (en) * 2017-11-09 2018-12-25 新奥科技发展有限公司 A kind of electrostatic confinement fusion facility
KR101894481B1 (en) * 2017-12-14 2018-09-04 주식회사 메인 Equipment structure for tokamak assembly
CN109949947A (en) * 2017-12-21 2019-06-28 通用原子公司 Method and apparatus for alleviating the rupture of fusion device plasma

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2187713B9 (en) Magnetic and electrostatic confinement of plasma in a field reversed configuration
US4246067A (en) Thermonuclear fusion system
KR101811504B1 (en) Apparatus for accelerating and compressing plasma
US4233537A (en) Multicusp plasma containment apparatus
JP2017512315A (en) Method and apparatus for confining high energy charged particles in a magnetic cusp configuration
RU2736311C1 (en) Device for charged particles retention
Hoffman et al. Inductive field-reversed configuration accelerator for tokamak fueling
US20240079151A1 (en) Plasma injection and confinement systems and methods
Dimov et al. A plasma trap as a target for neutralization of the negative ion beam
US11120917B2 (en) Device for creating and controlling plasma
WO2022220932A2 (en) Plasma generation systems and methods with enhanced electrode configurations
Cazzador Analytical and numerical models and first operations on the negative ion source NIO1
JP2023549986A (en) Non-neutronic fusion plasma reactor and generator
TWI430285B (en) Plasma electric generation system
WO2019068917A9 (en) A power generator using neutron capture
Sudnikov et al. Helical mirror concept exploration: Design and status
RU160364U1 (en) ION MAGNETIC DIODE FOR NEUTRON GENERATION
Demerdjiev et al. Simulations of negative hydrogen ion sources
WO2023245064A1 (en) Plasma generation system and method with magnetic field stabilization
Basko et al. Plasma lens for the heavy ion accelerator at ITEP
Sudan Particle ring fusion
WO2023183597A1 (en) Plasma focus systems and methods for aneutronic fusion
Takamatsu et al. Magnetron-discharge-based ion source for improvement of an inertial electrostatic confinement fusion device
WO2023183592A1 (en) Plasma focus systems and methods for producing neutrons
WO2023245065A1 (en) Dual-mode plasma generation system and method