RU2778245C1 - Box for experiments on infrared heating of a cryogenic layer of hydrogen isotopes in a spherical shell - Google Patents
Box for experiments on infrared heating of a cryogenic layer of hydrogen isotopes in a spherical shell Download PDFInfo
- Publication number
- RU2778245C1 RU2778245C1 RU2022100174A RU2022100174A RU2778245C1 RU 2778245 C1 RU2778245 C1 RU 2778245C1 RU 2022100174 A RU2022100174 A RU 2022100174A RU 2022100174 A RU2022100174 A RU 2022100174A RU 2778245 C1 RU2778245 C1 RU 2778245C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- box
- shell
- hydrogen isotopes
- radiation
- cryogenic
- Prior art date
Links
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 40
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 40
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 210000001736 Capillaries Anatomy 0.000 claims abstract description 23
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims abstract description 12
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium(0) Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 9
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 9
- 229920004936 Lavsan® Polymers 0.000 claims description 5
- 230000000977 initiatory Effects 0.000 claims description 5
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 claims description 5
- 230000001007 puffing Effects 0.000 claims description 5
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 8
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 8
- 229910052805 deuterium Inorganic materials 0.000 description 5
- YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N deuterium Chemical compound [2H] YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 1
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) и криогеники и может быть преимущественно использовано для получения равнотолщинного криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке для последующих экспериментов по сжатию термоядерной мишени вблизи порога ее зажигания.The present invention relates to the field of laser thermonuclear fusion (LTF) and cryogenics and can be mainly used to obtain an equal-thickness cryogenic layer of hydrogen isotopes in a spherical shell for subsequent experiments on the compression of a thermonuclear target near its ignition threshold.
Известен бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке [Е.И. Осетров, В.М. Изгородин, Е.Ю. Соломатина, и др. Эксперименты по выравниванию криогенного слоя дейтерия по толщине ИК-излучением. // V Международная конференция "Лазерные, плазменные исследования и технологии" ЛаПлаз-2019: Сборник научных трудов. Ч. 2. М.: НИЯУ МИФИ, 2619. - 388 с.с. 362-363].Known Boxing for experiments on infrared heating of the cryogenic layer of hydrogen isotopes in a spherical shell [E.I. Osetrov, V.M. Izgorodin, E.Yu. Solomatina, et al. Experiments on leveling the cryogenic layer of deuterium in thickness by IR radiation. // V International Conference "Laser, Plasma Research and Technologies" LaPlaz-2019: Collection of scientific papers.
Известное устройство представляет собой бокс со сферической полостью внутри, так называемой сферой выравнивания. В центре сферы расположена оболочка, наполняемая изогонами водорода через капилляр. В боксе выполнено четыре окна для наблюдения за слоем, одно из которых используется для заведения инфракрасного излучения. Окна бокса выполнены из лавсана.The known device is a box with a spherical cavity inside, the so-called alignment sphere. In the center of the sphere there is a shell filled with hydrogen isogones through a capillary. The box has four windows for observing the layer, one of which is used to introduce infrared radiation. Boxing windows are made of lavsan.
В известном устройстве источник инфракрасного излучения находится за пределами криостата, излучение проходит через окна криостата, криогенного экрана и окон бокса (схема внешнего заведения излучения).In the known device, the source of infrared radiation is located outside the cryostat, the radiation passes through the windows of the cryostat, the cryogenic screen and the windows of the box (diagram of external radiation institution).
Недостатками данного устройства являются невозможность проводить на нем эксперименты по формированию криослоя с различным заведением инфракрасного излучения.The disadvantages of this device are the inability to carry out experiments on the formation of a cryolayer with a different establishment of infrared radiation.
Известен бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке [D.N. Bittner, G.W. Collins, and J.D. Sater. Generating Low Temperature Layers with IR Heating / Preprint, UCRL-JC-143446. Lawrence Livermore National Laboratory, 31.01.2003].Known Boxing for experiments on infrared heating of the cryogenic layer of hydrogen isotopes in a spherical shell [D.N. Bittner, G.W. Collins, and J.D. sater. Generating Low Temperature Layers with IR Heating / Preprint, UCRL-JC-143446. Lawrence Livermore National Laboratory, 01/31/2003].
Известное устройство представляет собой бокс из алюминия с внутренней сферой диаметром 23 мм, на поверхность которой напылен слой золота. В центре сферы расположена оболочка, наполняемая изотопами водорода через капилляр. В боксе выполнено четыре окна для наблюдения за криослоем.The known device is a box made of aluminum with an inner sphere with a diameter of 23 mm, on the surface of which a layer of gold is deposited. In the center of the sphere there is a shell filled with hydrogen isotopes through a capillary. The box has four windows for observing the cryolayer.
В данном боксе оптоволокно заводится внутрь сферы выравнивания для заведения инфракрасного излучения непосредственно в полость бокса (схема внутреннего заведения излучения).In this box, the optical fiber is inserted inside the alignment sphere to inject infrared radiation directly into the cavity of the box (scheme of internal radiation induction).
Недостатками данного устройства является невозможность проводить на нем эксперименты по формированию криослоя с различным заведением инфракрасного излучения, кроме того сложность и большие габариты конструкции с большим количеством составляющих компонентов могут нести принципиальное значение при проведении экспериментов по ЛТС.The disadvantages of this device is the impossibility to conduct experiments on the formation of a cryolayer with a different institution of infrared radiation, in addition, the complexity and large dimensions of the structure with a large number of constituent components can be of fundamental importance when conducting experiments on LTS.
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща известному боксу для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода и сферической оболочке [D.N. Bittner at al. Forming Uniform HD Layers in Shells Using Infrared Radiation / UCRL-JC-131371, PREPRINT, Lawrence Livermore National Laboratory, 12.10.1998].The set of features closest to the set of essential features of the invention is inherent in the well-known box for conducting experiments on infrared heating of a cryogenic layer of hydrogen isotopes and a spherical shell [D.N. Bittner at al. Forming Uniform HD Layers in Shells Using Infrared Radiation / UCRL-JC-131371, PREPRINT, Lawrence Livermore National Laboratory, 10/12/1998].
Известное устройство представляет собой бокс с внутренней сферой 25 мм, в центре которого располагается оболочка, наполняемая изотопами водорода через капилляр. Внутренняя сфера выполнена из алюминия (меди OFHC) и покрыта золотом для большего переотражения инфракрасного излучения. В боксе выполнены четыре отверстия диаметром 4 мм, одна пара отверстий используется для ввода инфракрасного излучения в бокс через окна криостата. Вторая пара отверстий используется для наблюдения за криослоем (микроскоп с камерой и подсветка).The known device is a box with an inner sphere of 25 mm, in the center of which is a shell filled with hydrogen isotopes through a capillary. The inner sphere is made of aluminum (OFHC copper) and plated with gold for greater reflection of infrared radiation. The box has four holes with a diameter of 4 mm, one pair of holes is used to introduce infrared radiation into the box through the windows of the cryostat. The second pair of holes is used to observe the cryolayer (microscope with camera and illumination).
В отличие от разрабатываемой конструкции отверстия бокса закрыты сапфировыми линзами.In contrast to the design being developed, the openings of the box are covered with sapphire lenses.
Недостатками данного устройства являются большие габариты бокса, трудоемкий процесс сборки бокса и подготовка к эксперименту, трудоемкая реализация метода заведений инфракрасного излучения без попадания на оболочку, невозможность заведения инфракрасного излучения непосредственно в бокс, минуя окна криостата и бокса. Известное устройство не позволяет проводить на нем эксперименты по формированию криослоя с различным заведением инфракрасного излучения. Также устройство не позволяет достичь минимальных размеров бокса с минимальным количеством составляющих компонентов, что может нести принципиальное значение при проведении экспериментов по ЛТС.The disadvantages of this device are the large dimensions of the box, the laborious process of assembling the box and preparing for the experiment, the laborious implementation of the method of introducing infrared radiation without hitting the shell, the impossibility of introducing infrared radiation directly into the box, bypassing the cryostat and box windows. The known device does not allow to carry out experiments on the formation of a cryolayer with a different institution of infrared radiation. Also, the device does not allow achieving the minimum size of the box with a minimum number of components, which can be of fundamental importance when conducting experiments on LTS.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является универсализация конструкции бокса, направленная на возможность формирования равнотолщинного криослоя изотопов водорода с реализацией различных схем заведения инфракрасного излучения в полость бокса и последующим ее использованием в экспериментах на лазерных установках.The task to be solved by the claimed invention is the universalization of the box design, aimed at the possibility of forming an equal-thickness cryolayer of hydrogen isotopes with the implementation of various schemes for introducing infrared radiation into the box cavity and its subsequent use in experiments on laser installations.
Техническим результатом является увеличение экспериментальных возможностей бокса в плане реализации различных схем заведения инфракрасного излучения в бокс, при упрощении конструкции и уменьшении ее массогабаритных параметров.The technical result is an increase in the experimental capabilities of the box in terms of implementing various schemes for introducing infrared radiation into the box, while simplifying the design and reducing its weight and size parameters.
Технический результат изобретения обеспечивается тем, что бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке представляет собой металлическую конструкцию со сферической, покрытой слоем золота, полостью внутри, в центре которой расположена оболочка, удерживаемая на капилляре для напуска изотопов водорода; в бокс заведен капилляр для напуска гелия через соответствующее отверстие: в металлической конструкции выполнены четыре окна, два из которых используются для наблюдения за оболочкой, а одно используется для заведения инфракрасного излучения через оптически прозрачные окна (схема внешнего заведения излучения). Согласно изобретению в боксе предусмотрена реализация еще трех дополнительных схем заведения инфракрасного излучения, для чего окно заведения излучения выполнено большего размера относительно окон для наблюдения, которые выполнены минимального размера для возможности наблюдения за оболочкой, при этом над окном для заведения излучения выполнено дополнительное отверстие для заведения инфракрасного излучения в сферическую полость без прямого попадания на оболочку, в качестве средства для заведения излучения используют оптоволокно, которое заводят непосредственно в бокс (схема внутреннего заведения излучения), либо излучение заводится через оптически прозрачные окна (схема внешнего заведения излучения): в качестве материала окон используется пленка из лавсана.The technical result of the invention is ensured by the fact that the box for conducting experiments on infrared heating of the cryogenic layer of hydrogen isotopes in a spherical shell is a metal structure with a spherical cavity coated with a layer of gold inside, in the center of which there is a shell held on a capillary for puffing hydrogen isotopes; a capillary was inserted into the box to inject helium through the corresponding hole: four windows were made in the metal structure, two of which are used to observe the shell, and one is used to introduce infrared radiation through optically transparent windows (external radiation induction scheme). According to the invention, the box provides for the implementation of three additional schemes for inducing infrared radiation, for which the radiation initiation window is made larger relative to the observation windows, which are made of the minimum size for the possibility of observing the shell, while an additional hole for inducing infrared radiation is made above the radiation initiation window. radiation into a spherical cavity without a direct hit on the shell, as a means for inducing radiation, an optical fiber is used, which is led directly into the box (internal radiation induction scheme), or radiation is introduced through optically transparent windows (external radiation induction scheme): the window material is used lavsan film.
В частном случае, связанном с варьированием выходных параметров на проведение эксперимента, бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке имеет вариации диаметра внутренней сферической полости от 10 до 25 мм с шагом в 5 мм.In a particular case, associated with varying the output parameters for the experiment, the box for conducting experiments on infrared heating of the cryogenic layer of hydrogen isotopes in a spherical shell has variations in the diameter of the inner spherical cavity from 10 to 25 mm with a step of 5 mm.
Для соединения половин конструкции в единый бокс в одной из половин выполнены сквозные отверстия, а в ответной части резьбовые глухие отверстия диаметром М2, герметичность сборки обеспечивается применением криогенного клея.To connect the halves of the structure into a single box, through holes are made in one of the halves, and in the counterpart there are threaded blind holes with a diameter of M2, the tightness of the assembly is ensured by the use of cryogenic glue.
Расположение дополнительного отверстия для ввода инфракрасного излучения на поверхности бокса было выбрано с учетом расчета распространении инфракрасного луча в сфере выравнивания. Результатом данного расчета стати выводы о необходимости направлять входящий конус света туда, где нет окон (во избежание потерь энергии пучка), предпочтительней вверх (где поверхность бокса холоднее вследствие градиента температур), под максимально возможным углом наклона к горизонтальной плоскости (для большего количества диффузных отражений), точно в вертикальной плоскости симметрии сферы выравнивания (для максимально одинакового облучения боковых полюсов оболочки).The location of the additional hole for introducing infrared radiation on the surface of the box was chosen taking into account the calculation of the propagation of the infrared beam in the alignment sphere. The result of this calculation was the conclusion about the need to direct the incoming light cone to where there are no windows (to avoid beam energy losses), preferably upwards (where the box surface is colder due to the temperature gradient), at the maximum possible angle of inclination to the horizontal plane (for more diffuse reflections). ), exactly in the vertical plane of symmetry of the alignment sphere (for maximally equal irradiation of the side poles of the shell).
Кроме того для понимания распределения температур в боксе и оболочке был проведен тепловой расчет модели экспериментального бокса максимально приближенной по геометрии и условиям к реальным экспериментам. В расчетах было проанализировано распределение температур в экспериментальном боксе и криогенном слое при различных условиях: схема внешнего заведения коллимированного пучка инфракрасного излучения диаметром 8 мм и 2,5 мм направленного строго в горизонтальной плоскости (на оболочку) и под углом 17° к горизонтали (согласно предварительным теоретическим расчетам). Были сделаны выводы, что для получения однородного по толщине криогенного слоя необходимо направлять инфракрасное излучение под углом, избегая прямого попадания на оболочку, на внутреннюю поверхность сферы матовой сферы выравнивания для получения равномерно рассеянного диффузного излучения (реализовано для всех четырех схем заведения инфракрасного излучения, для этого одно из окон выполнено большего диаметра и выполнено дополнительное отверстие), а также избегать попадания прямого пучка излучения на стенку бокса путем создания коллимированного пучка диаметром менее 2,5 мм для схемы с внешним заведением излучения, или заводить излучение внутрь экспериментального бокса.In addition, in order to understand the temperature distribution in the box and shell, a thermal calculation of the model of the experimental box was carried out, as close as possible in geometry and conditions to real experiments. In the calculations, the temperature distribution in the experimental box and the cryogenic layer was analyzed under various conditions: the scheme of external insertion of a collimated beam of infrared radiation with a diameter of 8 mm and 2.5 mm directed strictly in the horizontal plane (on the shell) and at an angle of 17° to the horizontal (according to preliminary theoretical calculations). It was concluded that in order to obtain a cryogenic layer uniform in thickness, it is necessary to direct infrared radiation at an angle, avoiding direct contact with the shell, on the inner surface of the sphere of the matte alignment sphere to obtain uniformly scattered diffuse radiation (implemented for all four schemes for introducing infrared radiation, for this one of the windows is made of a larger diameter and an additional hole is made), as well as to avoid hitting a direct radiation beam on the box wall by creating a collimated beam with a diameter of less than 2.5 mm for a scheme with external radiation induction, or to lead the radiation inside the experimental box.
Заведение излучения через дополнительное отверстие позволяет использовать освободившуюся пару окон по одной оси для диагностики слоя или для организации оптического наблюдения за криослоем в оболочке по двум взаимно перпендикулярным осям.Introducing radiation through an additional hole makes it possible to use the vacated pair of windows along one axis for diagnosing the layer or for organizing optical observation of the cryolayer in the shell along two mutually perpendicular axes.
Проведенный тепловой расчет экспериментальных боксов показал, что для достижения изотермического теплового окружения достаточен диаметр сферы выравнивания 15 мм, что позволяет значительно уменьшить габариты бокса по сравнению с зарубежными аналогами и тем самым повысить скорость охлаждения до нужных температур всей конструкции бокса. В ходе проведения экспериментов по формированию криослоя было выявлено, что диаметр сферы выравнивания не оказывает значительного влияния на разнотолщинность получаемого слоя, и криослой требуемого качества можно получить в сфере меньшего диаметра.The thermal calculation of the experimental boxes showed that to achieve an isothermal thermal environment, the alignment sphere diameter of 15 mm is sufficient, which makes it possible to significantly reduce the dimensions of the box compared to foreign analogues and thereby increase the cooling rate to the required temperatures of the entire box structure. In the course of experiments on the formation of a cryolayer, it was found that the diameter of the alignment sphere does not significantly affect the thickness variation of the resulting layer, and a cryolayer of the required quality can be obtained in a sphere of a smaller diameter.
Применение в качестве материала для герметизации окон бокса пленки из лавсана, приклеиваемой на криогенный клей, позволяет упростить конструкцию бокса, уменьшить количество компонентов сборки без потери качественных характеристик бокса.The use of lavsan film glued on cryogenic glue as a material for sealing the windows of the box makes it possible to simplify the design of the box, reduce the number of assembly components without losing the quality characteristics of the box.
Сущность изобретения поясняется чертежами, показанными на фиг. 1-8.The essence of the invention is illustrated by the drawings shown in Fig. 1-8.
На фиг. 1 изображен бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке, установленный на столик второй ступени криостата, вид слева, где:In FIG. Figure 1 shows a box for conducting experiments on infrared heating of a cryogenic layer of hydrogen isotopes in a spherical shell, installed on the table of the second stage of the cryostat, left view, where:
1 - левая половина конструкции;1 - left half of the structure;
2 - правая половина конструкции;2 - right half of the structure;
3 - сфера выравнивания (сферическая полость);3 - alignment sphere (spherical cavity);
4 - сферическая оболочка;4 - spherical shell;
8 - отверстие для ввода капилляра для напуска гелия;8 - hole for entering a capillary for helium puffing;
10 - окно бокса для заведения инфракрасного излучения;10 - boxing window for the introduction of infrared radiation;
11 - отверстие для ввода инфракрасного излучения;11 - hole for input of infrared radiation;
14 - столик второй ступени криостата.14 - table of the second stage of the cryostat.
На фиг. 2 изображен бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке, установленный на столик второй ступени криостата, вид спереди, где:In FIG. Figure 2 shows a box for conducting experiments on infrared heating of a cryogenic layer of hydrogen isotopes in a spherical shell, mounted on a table of the second stage of the cryostat, front view, where:
5 - капилляр для напуска изотопов водорода;5 - capillary for the inlet of hydrogen isotopes;
6 - отверстие для ввода капилляра для изотопов водорода;6 - hole for entering the capillary for hydrogen isotopes;
7 - капилляр для напуска гелия;7 - capillary for helium inlet;
8 - отверстие для ввода капилляра для напуска гелия;8 - hole for entering a capillary for helium puffing;
9 - окна бокса для наблюдения;9 - box windows for observation;
10 - окно бокса для заведения инфракрасного излучения;10 - boxing window for the introduction of infrared radiation;
11 - отверстие для ввода инфракрасного излучения;11 - hole for input of infrared radiation;
12 - пленки на окнах бокса;12 - films on the windows of the box;
13 - резьбовые соединения.13 - threaded connections.
На фиг. 3 изображен бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке, установленный на столик второй ступени криостата, вид справа, где:In FIG. Figure 3 shows a box for conducting experiments on infrared heating of a cryogenic layer of hydrogen isotopes in a spherical shell, installed on the table of the second stage of the cryostat, right view, where:
6 - отверстие для ввода капилляра для изотопов водорода;6 - hole for entering the capillary for hydrogen isotopes;
12 - пленки на окнах бокса.12 - films on the windows of the box.
На фиг. 4 изображена внешняя схема заведения инфракрасного излучения в сферу выравнивания через окно бокса, где:In FIG. 4 shows an external scheme for introducing infrared radiation into the alignment sphere through the box window, where:
2 - правая половина конструкции;2 - right half of the structure;
3 - сфера выравнивания (сферическая полость);3 - alignment sphere (spherical cavity);
4 - сферическая оболочка;4 - spherical shell;
5 - капилляр для напуска изотопов водорода;5 - capillary for the inlet of hydrogen isotopes;
9 - окна бокса для наблюдения:9 - box windows for observation:
10 - окно бокса для заведения инфракрасного излучения;10 - boxing window for the introduction of infrared radiation;
11 - отверстие для ввода инфракрасного излучения;11 - hole for input of infrared radiation;
14 - столик в трон ступени криостата;14 - table in the throne of the cryostat stage;
15 - условное изображение инфракрасного излучения;15 - conditional image of infrared radiation;
16 - оптоволокно, проводящее инфракрасное излучение;16 - optical fiber, conducting infrared radiation;
17 - корпус криостата;17 - body of the cryostat;
18 - криогенный экран.18 - cryogenic screen.
На фиг. 5 изображена схема внутреннего заведения инфракрасного излучения в сферу выравнивания через окно бокса, где:In FIG. 5 shows a diagram of the internal introduction of infrared radiation into the alignment sphere through the box window, where:
15 - условное изображение инфракрасного излучения;15 - conditional image of infrared radiation;
16 - оптоволокно, проводящее инфракрасное излучение.16 - optical fiber that conducts infrared radiation.
На фиг. 6 изображена схема внешнего заведения инфракрасного излучения в сферу выравнивания через дополнительное отверстие бокса, где;In FIG. 6 shows a diagram of the external introduction of infrared radiation into the alignment sphere through an additional opening of the box, where;
15 - условное изображение инфракрасного излучения;15 - conditional image of infrared radiation;
16 - оптоволокно, проводящее инфракрасное излучение.16 - optical fiber that conducts infrared radiation.
На фиг. 7 изображена схема внутреннего заведения инфракрасного излучения в сферу выравнивания через дополнительное отверстие бокса, где:In FIG. 7 shows a diagram of the internal introduction of infrared radiation into the alignment sphere through an additional opening of the box, where:
15 - условное изображение инфракрасного излучения;15 - conditional image of infrared radiation;
16 - оптоволокно, проводящее инфракрасное излучение.16 - optical fiber that conducts infrared radiation.
На фиг. 8 показан процесс формирования криогенного слоя льда в оболочке с конечным результатом эксперимента по формированию криогенного слоя дейтерия, разнотолщинностью менее 1%, где;In FIG. 8 shows the process of formation of a cryogenic layer of ice in a shell with the final result of the experiment on the formation of a cryogenic layer of deuterium, with a thickness difference of less than 1%, where;
5 - сферическая оболочка.5 - spherical shell.
В конструкции бокса, разработанной в соответствии с фиг. 1-3. получилось реализовать различные схемы заведения инфракрасного излучения в сферу выравнивания. На фиг. 4-7 изображены схемы заведения инфракрасного излучения в сферу выравнивания. Каждая из этих схем была проверена экспериментально и получены удовлетворительные результаты по выравниванию криослоя изотопов водорода инфракрасным нагревом, один из которых приведен на фиг. 8.In the box structure developed in accordance with FIG. 1-3. it turned out to implement various schemes for introducing infrared radiation into the alignment sphere. In FIG. Figures 4-7 show diagrams for introducing infrared radiation into the alignment sphere. Each of these schemes was tested experimentally and satisfactory results were obtained for the alignment of the cryolayer of hydrogen isotopes by infrared heating, one of which is shown in Fig. eight.
Бокс для проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке представляет собой металлическую конструкцию из двух симметричных половин 1 и 2, выполненных из меди марки M1 с углублениями на внутренней поверхности в форме полусфер, которые в собранном виде представляют сферическую полость - сферу выравнивания 3. которая должна обеспечить однородный тепловой нагрев криогенного слоя в результате многократного переотражения инфракрасного излучения. На каждую полусферу нанесено покрытие из золота (толщиной ~1 мкм) для лучшего отражения инфракрасного излучения. В центре сферы выравнивания расположена сферическая оболочка 4 (диаметром от 1,3 до 2 мм с толщиной стенки от 10 до 30 мкм), удерживаемая на капилляре для напуска изотопов водорода 5 (сложносоставной капилляр с переходным диаметром от 20 мкм до 1 мм), который заведен в отверстие в боксе 6, в реализованном изобретении его диаметр равен ∅1.1 мм. В бокс также заведен капилляр для напуска гелия 7 (диаметром 1 мм из стали 12Х18Н10Т) через соответствующее отверстие 8, в реализованном изобретении его диаметр равен ∅1,1 мм.The box for conducting experiments on infrared heating of a cryogenic layer of hydrogen isotopes in a spherical shell is a metal structure of two
В боксе выполнены окна 9 для наблюдения за поведением криослоя в оболочке, в реализованном изобретении их диаметр равен ∅2 мм, окно 10 для ввода инфракрасного излучения выполнено большего размера и в реализованном изобретении равен ∅3 мм. Также на одной из сторон бокса выполнено дополнительное отверстие 11 для ввода инфракрасного излучения. Окна 9, 10 и дополнительное отверстие 11 герметизируются пленкой 12 из лавсана толщиной 2,5 мкм. Для соединения половин конструкции в единый бокс в конструкции выполнены резьбовые соединения 13.
Сборка бокса происходит в 3 этапа: сборка оболочки 4 и капилляра напуска изотопов водорода 5, сборка половин конструкции 1 и 2 с оболочкой 4 внутри, установка собранного бокса в криостат на столик второй ступени 14.The box is assembled in 3 stages:
Основной задачей при сборке является обеспечение герметичности бокса и капилляров для напуска рабочих газов (гелий, изотопы водорода) с учетом их использования при криогенных температурах. При этом должна также обеспечиваться простота монтажа бокса и надежность его соединении с учетом небольшого размера экспериментальных сборок.The main task during assembly is to ensure the tightness of the box and capillaries for the inlet of working gases (helium, hydrogen isotopes), taking into account their use at cryogenic temperatures. In this case, the ease of installation of the box and the reliability of its connection should also be ensured, taking into account the small size of the experimental assemblies.
Заведение инфракрасного излучения 15 выполняется как по схеме внешнего заведения пучка излучения через окно бокса (фиг. 4, фиг. 6), так и для заведения оптоволокна 16 внутрь бокса (фиг. 5, фиг. 7).The introduction of
Бокс проведения экспериментов по инфракрасному нагреву криогенного слоя изотопов водорода в сферической оболочке представляет собой систему изолированных газовых объемов с различным давлением. Сферическая оболочка 4 закреплена в металлической конструкции из двух половин 1 и 2, которая установлена в рабочую зону криостата 17. откачиваемую до высокого вакуума до 10-8 мбар. Металлическая конструкция выполняет функцию контейнера с хорошими теплообменными свойствами, в сферическую полость 3 через вклеенный капилляр 7 напускается гелий давлением 0,1 мбар, который выполняет функцию теплообменного таза для выравнивания температуры поверхности сферической оболочки 4. Оболочка 4 в свою очередь через капилляр 5 наполняется изотопами водорода в газовой фазе до давлений порядка 1 бар. Главным критерием успешного эксперимента является полная герметичность сборки половин конструкции 1 и 2 и, соответственно, отсутствие утечек гелия из бокса в объем криостата 17 и изотопов водорода из оболочки 4 в сферическую полость 3 или в объем криостата 17 в процессе проведения эксперимента.The box for conducting experiments on infrared heating of a cryogenic layer of hydrogen isotopes in a spherical shell is a system of isolated gas volumes with different pressures. The
Эксперименты по получению криогенного слоя изотопов водорода производятся в несколько этапов:Experiments to obtain a cryogenic layer of hydrogen isotopes are carried out in several stages:
1) Монтаж криоэкрана 18 и корпуса криостата 17.1) Installation of
2) Откачка рабочего объема криостата и систем напуска рабочих газов (гелий, изотопы водорода) с помощью форвакуумного и турбомолекулярного насосов до 10-4 мбар.2) Pumping out the working volume of the cryostat and systems for puffing working gases (helium, hydrogen isotopes) with the help of forevacuum and turbomolecular pumps up to 10 -4 mbar.
3) Охлаждение экспериментальной сборки до 20 K.3) Cooling of the experimental assembly to 20 K.
4) Напуск теплообменного газа гелия в сферическую полость 3 (до 0,1 бар).4) Inlet of helium heat exchange gas into spherical cavity 3 (up to 0.1 bar).
5) Напуск изотопов водорода в сферическую оболочку 4 (от 0,3 до 1 бар).5) Inlet of hydrogen isotopes into spherical shell 4 (from 0.3 to 1 bar).
6) Охлаждение сборки до температуры тройной точки, дозирование количества жидкости в оболочке до необходимого уровня.6) Cooling the assembly to the triple point temperature, dosing the amount of liquid in the shell to the required level.
7) Понижение температуры с заданными параметрами скорости до полного преобразования жидкой фазы в твердую.7) Lowering the temperature with the given speed parameters until the complete transformation of the liquid phase into a solid one.
8) Перераспределение льда в оболочке 4 с помощью инфракрасного нагрева.8) Redistribution of ice in the
9) Диагностика полученного слоя, расчет параметров разнотолщинности.9) Diagnostics of the resulting layer, calculation of the parameters of thickness variation.
Процесс формирования криогенного слоя льда в оболочке 4 происходит в соответствии с фиг. 8.The process of formation of a cryogenic layer of ice in the
Для осуществления метода инфракрасного выравнивания необходимо завести инфракрасное излучение 13 с длиной волны, соответствующей пику поглощения вещества криослоя в сферическую полость 3 (любым из предложенных вариантов, указанных на фиг. 4-7), вследствие чего криослой изотопов водорода начинает поглощать инфракрасное излучение и нагревается. При этом область с толстым сдоем льда становится более нагретой, а с тонким слоем менее нагретой, в результате чего происходят перераспределение вещества и выравнивание слоя по толщине.To implement the infrared alignment method, it is necessary to introduce
Сфера выравнивания 3 должна обеспечить однородный тепловой нагрев криогенного слоя в результате многократного переотражения инфракрасного излучения 15. Для лучшего отражения инфракрасного излучения на каждую полусферу нанесено покрытие из золота (толщиной ~1 мкм).
Для выравнивания криогенного сдоя дейтерия используется лазер среднего инфракрасного диапазона с центральной длиной волны 3,6 мкм (пик поглощения дейтерия) и выходом под оптоволокно 16. Для схемы внешнего заведения инфракрасного излучения (фиг. 4, 6) оптоволокно 16 закрепляется на 5-координатном столике, что позволяет направлять излучение под различными углами, ограничиваясь лишь апертурой смотровых окон бокса, криоэкрана и оптическою стакана криостата. Для схемы внутреннего заведения (фиг. 5, 7) оптоволокно 16 заводится в полость криостата через отверстие 11 и герметично заклеивается.To equalize the cryogenic concentration of deuterium, a mid-infrared laser with a central wavelength of 3.6 μm (deuterium absorption peak) and an output under the
Результат одного из экспериментов по формированию криогенного слоя дейтерия показан на фиг. 8. Эксперимент проводился в боксе с внутренней сферой выравнивания 3 диаметром 10 мм с золотым напылением. Разнотолщинность криослоя составила 0,5% при средней толщине криослоя 208 мкм.The result of one of the experiments on the formation of a cryogenic layer of deuterium is shown in Fig. 8. The experiment was carried out in a box with an
Проведенная серия экспериментов по получению равнотолщинного криослоя изотопов водорода в оболочке и получившиеся результаты, удовлетворяющие заданным требованиям параметров слоя, позволяют сделать вывод о том, что технический результат достигнут, а именно в конструкции бокса реализована возможность использования различных схем заведения инфракрасного излучения в бокс при уменьшении ее массогабаритных параметров и упрощении конструкции бокса.A series of experiments on obtaining an equal-thickness cryolayer of hydrogen isotopes in a shell and the results obtained that meet the specified requirements of the layer parameters allow us to conclude that the technical result has been achieved, namely, the box design implements the possibility of using various schemes for introducing infrared radiation into the box with a decrease in its weight and size parameters and simplification of the box design.
Claims (4)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2778245C1 true RU2778245C1 (en) | 2022-08-16 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102012001634A1 (en) * | 2012-01-30 | 2013-08-01 | Heinrich Hora | Nuclear fusion reactor irradiates laser pulses on one or both sides of cylinder having solid or compressed fusion fuel |
FR2994317B1 (en) * | 2012-08-03 | 2014-09-12 | Univ Lyon 1 Claude Bernard | REACTOR AND METHOD FOR THE IMPLEMENTATION OF A NUCLEAR FUSION REACTION |
EP1861855B1 (en) * | 2005-03-22 | 2015-08-26 | The European Atomic Energy Community (EURATOM), represented by the European Commission | First wall component for a fusion reactor |
RU2633373C1 (en) * | 2016-07-21 | 2017-10-12 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Blanket of thermonuclear reactor |
RU2736883C1 (en) * | 2020-06-04 | 2020-11-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Power plant for operation in negative temperature conditions |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1861855B1 (en) * | 2005-03-22 | 2015-08-26 | The European Atomic Energy Community (EURATOM), represented by the European Commission | First wall component for a fusion reactor |
DE102012001634A1 (en) * | 2012-01-30 | 2013-08-01 | Heinrich Hora | Nuclear fusion reactor irradiates laser pulses on one or both sides of cylinder having solid or compressed fusion fuel |
FR2994317B1 (en) * | 2012-08-03 | 2014-09-12 | Univ Lyon 1 Claude Bernard | REACTOR AND METHOD FOR THE IMPLEMENTATION OF A NUCLEAR FUSION REACTION |
RU2633373C1 (en) * | 2016-07-21 | 2017-10-12 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Blanket of thermonuclear reactor |
RU2736883C1 (en) * | 2020-06-04 | 2020-11-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Power plant for operation in negative temperature conditions |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
D.N. Bittner at al. Forming Uniform HD Layers in Shells Using Infrared Radiation / UCRL-JC-131371, PREPRINT, Lawrence Livermore National Laboratory, 12.10.1998. Е.И. Осетров, и др. Эксперименты по выравниванию криогенного слоя дейтерия по толщине ИК-излучением. // V Международная конференция "Лазерные, плазменные исследования и технологии" ЛаПлаз-2019: Сборник научных трудов. Ч. 2. М.: НИЯУ МИФИ, 2619. - 388 с.с. 362-363. Kucheev S.O., Hamza A.V. Condensed hydrogen for thermonuclear fusion // J. Appl. Phys.2010. Vol. 108. P. 091101. D.N. Bittner at al. Forming Uniform HD Layers in Shells Using Infrared Radiation / UCRL-JC-131371, PREPRINT, Lawrence Livermore National Laboratory, 12.10.1998. Е.И. Осетров и др. Эксперименты по выравниванию криогенного слоя дейтерия по толщине ИК-излучением. // V Международная конференция "Лазерные, плазменные исследования и технологии" ЛаПлаз-2019: Сборник научных трудов. Ч. 2. М.: НИЯУ МИФИ, 2619, с. 362-363. * |
R. A. London et al, Thermal Infrared Exposure of Cryogenic Indirect Drive ICF Targets, Fusion Science and Technology, July 14, 2005, DOI:10.13182/FST06-A1171. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9117563B2 (en) | Ultra-cold-matter system with thermally-isolated nested source cell | |
US8546748B2 (en) | Helium barrier atom chamber | |
EP1733414B1 (en) | Cold atom system with atom chip wall | |
US8405021B2 (en) | Ultracold-matter systems | |
RU2778245C1 (en) | Box for experiments on infrared heating of a cryogenic layer of hydrogen isotopes in a spherical shell | |
Radha et al. | Triple-picket warm plastic-shell implosions on OMEGA | |
WO2020134503A1 (en) | Soft x-ray micro imaging device | |
CN110433875B (en) | High-low temperature vacuum optical test box | |
US20060198487A1 (en) | Fusionable material target | |
CN116417173B (en) | Vacuum optical tweezers system for suspending nano particles | |
CN106803440A (en) | A kind of two-dimensional magneto-optical trap device | |
US4069810A (en) | Vacuum solar collectors | |
Klempt et al. | Ultraviolet light-induced atom desorption for large rubidium and potassium magneto-optical traps | |
EP4187183A1 (en) | Refrigeration system | |
CN108346963A (en) | Spherical gas chamber | |
CN115831429A (en) | Diffuse reflection device for pre-cooling magneto-optical trap and laser cooling method | |
CN104570238B (en) | Ultraviolet light and visible ray multi-pass Laser synthesizing and transmitting device and its using method | |
CN208015067U (en) | A kind of nonbonding or the side pumping disk gain module structure of sintering | |
Liu et al. | Upgrade and application of the gas puff imaging system in EAST | |
Zhao et al. | Optimal design of high energy laser spatial filter with vacuum maintenance | |
Mohamed et al. | Design and Implementation of Absorption and Scattering Chamber Test of a High-Power Fiber Laser Beam by Gases and Solids in the Far-Field | |
CN109856713A (en) | A kind of horizontal solar telescope diaphragm | |
Walker et al. | The Northwestern University 50 cm liquid helium bubble chamber | |
Hagen | The circumstellar envelopes of M giants and supergiants | |
US20030031285A1 (en) | Cryogenic layer of fusion fuel, fuel core and method for fuel core producing |