Надпровідний соленоїд з гофрованим магнітним полем для утримання плазми

 

Область техніки

Фізика плазми, керований термоядерний синтез, утримання плазми магнітним

полем

Рівень техніки

В якості аналога винаходу можна привести надпровідний поляризуючий магніт для рухомого поляризованої мішені, виготовлений у Дубні [1]. Основною частиною даної установки є горизонтальний надпровідний соленоїд. Його обмотки виконані з NbTi дроти, просочені епоксидним компаундом і поміщені в горизонтальний кріостат, що повністю відповідає запропонованій компонуванні винаходу. Внутрішній діаметр кожуха соленоїда використовується як стінка вакуумної камери, в якій проводиться експеримент, що також відповідає нашій задачі.

Однак, на відміну від пропонованої нами конструкції, цей соленоїд створює однорідне магнітне поле за допомогою основний котушки з компенсацією кривизни ліній магнітного поля на краях за допомогою незалежних допоміжних секцій. Така конструкція не може бути використана для створення гофрованого магнітного поля. Другий важливий аспект - це відсутність у даній конструкції силових елементів, що забезпечують утримання соленоїда в поздовжньому напрямку при виникненні великих посил� за іншим, внаслідок взаємного тяжіння/відштовхування сусідніх соленоїдів.

Внутрішня стінка кожуха соленоїда, вона ж стінка вакуумної камери для проведення експерименту, не оснащена ніяким механізмом теплопередачі, що може призвести до неприпустимого нагрівання соленоїда і виходу його з режиму надпровідності, в результаті прогріву стінки випромінюванням від плазми.

Іншим аналогом може служити надпровідна магнітна система для джерела іонів DECRIS-SC [2]. Особливостями даної системи є наявність кріокулера для криостатирования магніту і можливість створення спеціальної (неоднорідною) конфігурації магнітного поля. Дана система найбільш наближена до запропонованою нами схемою соленоїда, т. к. має можливість створювати гофровану конфігурацію магнітного поля і дозволяє варіювати пробочное ставлення за допомогою зміни величини струмів незалежних обмотках. На додаток до цього в даній схемі використовується криокулер для криостатирования обсягу соленоїда, що співпадає з нашою схемою соленоїда.

Однак у даній схемі існує ряд недоліків, які не дозволяють їх використовувати для створення тривалої пастки плазми, тобто системи, в якій дані соленоїди буд�відповідних навантажень вздовж осі соленоїда, виникають внаслідок взаємного тяжіння/відштовхування сусідніх соленоїдів. По-друге, при такому з'єднанні даних соленоїдів на стику соленоїдів будуть виникати провали магнітного поля неприпустимої величини. По-третє, немає можливості переглянути конструкцію для збільшення числа котушок в соленоїді для збільшення кількості пробок на протязі його довжини.

Література:

1. Н.Р. Аніщенко та ін. Надпровідний магніт з високою однорідністю магнітного поля рухомого поляризованої мішені // Короткі повідомлення ОІЯД №6[92]-98, стор 49-54.

2. Н.Р. Аніщенко та ін. Надпровідна магнітна система з криокулером для джерела іонів DECRIS-SC // Листи в ЭЧАЯ. 2006. Т. 3, №1(130). С. 45-62.

Розкриття винаходу

1.1 Надпровідний соленоїд з гофрованим магнітним полем дозволяє отримати в області простору довжиною 1,6 м і діаметром 0,16 м постійне часу аксіально-симетричне магнітне поле з періодом гофрування 0,43 м з максимальним і мінімальним значеннями поля на осі соленоїда 7,3 Тл і 4 Тл, відповідно. Зміною струмів в обмотках соленоїда пробочное ставлення можна змінювати в межах R=1÷1,8.

1.2 Цей соленоїд призначений для утримання високотемпературної плазми в термояді створювати гофроване магнітне поле великої величини (7,3 Тл) і підтримувати його протягом тривалого часу від 1 год до декількох місяців. Дані параметри принципові і вкрай важливі для утримання термоядерної плазми. Велике магнітне поле пастки, спрямоване уздовж границі плазми, має істотно придушити втрати плазми поперек магнітного поля. Наявність гофрування і велике пробочное ставлення дозволять зменшити втрати вздовж магнітного поля і істотно збільшити час життя плазми. Можливість створення постійного, а не імпульсного поля, відкриває перспективу проведення експериментів в режимі з тривалим утриманням термоядерної плазми, в якому підживлення плазми для компенсації її втрат можлива з допомогою розташованого на торці плазмового джерела. Крім того, конструкція даного соленоїда допускає можливість плавної зміни ступеня гофрування магнітного поля шляхом зміни співвідношення струмів в двох незалежних обмотках магнітних котушок, з яких складається соленоїд.

2. Ознаки, використовувані для характеристики пристрою

Цілком пристрій має циліндричну форму і складається з (див. додаток): 1. Котушка магнітного поля. Сім таких котушок, утворюють секцію соленоїда, розташовані співвісно одна за одною всередині заливний гелієвої камери. Кожна магнітна котушка складається з двуходного типу з'єднані послідовно усередині секції соленоїда і можуть живитися незалежно від різних джерел живлення. Внутрішня обмотка має 34 шару по 209 витків, а зовнішня -12 шарів з такою ж кількістю витків. Обмотка виконана надпровідним кабелем діаметром 0,91 мм на основі NbTi сплаву з відношенням NbTi/Cu - 1/1,42. Надпровідний кабель намотаний на ізольовану стеклолентой товстостінну мідну обичайку і просочений під тиском епоксидною смолою з наповнювачем для вирівнювання КТР. Дві ланцюга послідовно з'єднаних зовнішніх і внутрішніх магнітних обмоток котушок мають окремі токовводи, що дозволяє варіювати співвідношення струмів в них, тим самим плавно змінюючи конфігурацію магнітного поля соленоїда від квазиоднородной з R≅l до гофрованої з R≅l,8. Дана опція істотно збільшує гнучкість соленоїда в підборі необхідної конфігурації магнітного поля, що забезпечує ефективне утримання плазми.

2. Гелієва камера. Вона являє собою зварений з листової нержавіючої сталі циліндричний вакуумний обсяг діаметром 0,6 м і довжиною 1,5 м з товщиною стінки 12 мм, оканчивающийся міцними торцевими фланцями завтовшки 15 мм. Крім того міцність камери підсилюють ребра жорсткості, розташовані в місцях стику циліндричної поверхні з фланцями. Високі вимоги до міцності кЕо боку магнітних котушок при взаємодії двох сусідніх секцій соленоїда, а, по-друге, вона повинна утримувати тиск випаруваного рідкого гелію, що виникає при виділенні частини магнітної енергії всередині гелієвої камери при зриві надпровідності соленоїда. В гелієвій камері передбачена спеціальна горловина для заливання рідкого гелію, призначеного для охолодження котушок магнітного поля і переведення їх в надпровідний стан. Гелієва камера підвішена на розтяжках з міцних кевларових тросів, які утримують її в центральному положенні щодо зовнішнього кожуха і не дають зміщуватися більше ніж на 1 -2 мм при впливі магнітним полем сусідній секції соленоїда. Кожна розтяжка має регулювання натягу з переходом з атмосфери у вакуум, яка необхідна для центрування гелієвої камери і вибірки слабини троса. Кріплення розтяжок на камері здійснено таким чином, щоб зміна лінійних розмірів гелієвої камери при захолаживании до 4К і нагріванні до кімнатної температури не змінювало натяг розтяжок.

Друга функція даних розтяжок - забезпечення компенсації сил, спрямованих вздовж осі соленоїда, при встановленні декількох соленоїдів послідовно один за одним.

3. Теплові екрани. Оскільки зовнішній кожух знаходиться при кза рахунок інфрачервоного випромінювання стінок кожуха, а також теплопровідності розтягуватися з зовнішнього кожуха на гелієву камеру. Для цієї мети в конструкції передбачені два вкладених один в одного теплових екрану, які підтримуються криокулерами при температурах 20°До 60°К. Кожен з екранів являє собою тонкостінну (3 мм) замкнуту оболонку, утворену зовнішнім і внутрішнім циліндрами, сполученими торцевими фланцями. Оболонки екранів виготовлені з мідних листів і мають розріз уздовж осі циліндра по всій утворює для запобігання появи азимутальних струмів Фуко під час підйому та зниження магнітного поля в соленоїді. Для додання механічної міцності краю розрізу скріплюються за допомогою діелектричної вставки, яка кріпиться до країв екрану за допомогою заклепок. Екрани монтуються на гелієвій камері за допомогою діелектричних шпеньков, задають величину зазорів між екранами і камерою. Розтяжки з кевлара проходять крізь екрани в спеціальних отворах, а теплопритоків за ним за рахунок теплопровідності з зовнішнього кожуха знімається на екрани з допомогою мідних канатиків.

4. Зовнішній кожух. Цей кожух являє собою тороід прямокутного перерізу, що складається з зовнішньої і внутрішньої циліндричних поверхржавеющей сталі і має товщину 8 мм По краях до неї приварені потовщення для монтажу знімних торцевих фланців. Один із фланців зварений з внутрішньою циліндричною оболонкою, що має діаметр 0,16 м, яка з'єднується з протилежним фланцем допомогою вакуумного ущільнення. Зовнішній кожух в процесі експлуатації виконує три функції. По-перше, він є основою всієї конструкції надпровідного соленоїда: на ньому встановлені системи підвіски і натягу розтяжок, міцно утримують внутрішні теплові екрани і гелієву камеру по центру системи. Крім цього він з'єднується з сусідніми секціями соленоїда через торцеві фланці, і, нарешті, він своєю вагою спирається на пересувну опорну візок, катающуюся по двох рейках. Друга функція кожуха - забезпечити вакуумні умови всередині свого об'єму для зменшення теплопритоку до екранів і гелієвої камері. По-третє, внутрішній циліндр кожуха сам є вакуумною камерою, всередині якої планується створювати й утримувати термоядерну плазму. Так як в процесі експлуатації внутрішній циліндр буде схильний великим тепловим навантаженням під впливом потоків частинок і випромінювання з нагрітої плазми, для його охолодження передбачена прокачування охолоджуючої жидкостидру через канали в торцевому фланці, до якого приварений цей циліндр.

5. Теплова ізоляція. Для істотного пригнічення теплопритоку до гелієвої камері за рахунок інфрачервоного випромінювання стінок зовнішнього кожуха вся поверхня кожуха зсередини вистелена суперизоляцией, що представляє собою багатошарове плівкове покриття з напиленням. Всі отвори в суперизоляции зроблені у вигляді розрізів, через які пропускаються елементи кріплень, розтяжки і т. д.

6. Криокулер. На зовнішньому кожусі закріплені три кріокулера, що забезпечують криостатирование надпровідної обмотки. Криокулери з'єднані безпосередньо з гелієвим обсягом і тепловими екранами мідними шинами, забезпечують знімання.

Короткий опис моделі.

Надпровідний соленоїд.

1. Котушка магнітного поля.

1а. Внутрішня обмотка.

1б. Зовнішня обмотка.

2. Гелієва камера.

3. Горловина для заливання гелію.

4. Кевларовая розтяжка.

5. Тепловий екран №1.

6. Тепловий екран №2.

7. Зовнішній кожух.

8. Криокулер.

9. Токовводи.

10. Порт відкачування.

11. Підвід води для охолодження внутрішньої стінки.

12. Суперизоляция.

Таким чином пристрій відрізняється від аналога тим, що має можливість створення гофрованої конфиочного відносини (гофрування) магнітного поля за рахунок управління струмами і подвійних незалежних обмоток соленоїда. В конструкції передбачена можливість установки послідовно декількох ідентичних соленоїдів, для створення протяжного магнітного поля гофрованої конфігурації. В конструкції передбачені силові елементи, що забезпечують утримання соленоїда в поздовжньому напрямку при великих зусиллях (до 15 тонн) вздовж осі магнітного поля. У конструкції внутрішня стінка кожуха соленоїда (верстата вакуумної камери для проведення експерименту) оснащена водяним охолодженням.

1. Надпровідний соленоїд з гофрованим магнітним полем для утримання плазми, виконаний з NbTi дроти, просоченої епоксидним компаундом, і поміщений в горизонтальний кріостат, причому внутрішній діаметр кожуха соленоїда використовується як стінка вакуумної камери, відрізняється тим, що він складається з двох незалежних і мають роздільні токовводи магнітних обмоток, причому зовнішня намотана обмотка послідовно.

2. Надпровідний соленоїд з п. 1, який відрізняється тим, що в конструкції зовнішньої циліндричної оболонки зроблені кріплення для монтажу знімних торцевих фланців для установки послідовно декількох ідентичних соленоїдів.

3. Надпровідний соленоїд з п. 1, який відрізняється тим, що�нді при виникненні великих зусиль, наприклад, до 15 тонн, уздовж осі магнітного поля виникають внаслідок взаємного тяжіння/відштовхування сусідніх соленоїдів.

4. Надпровідний соленоїд з п. 1, який відрізняється тим, що внутрішня стінка кожуха соленоїда, вона ж стінка вакуумної камери для проведення експерименту, оснащена водяним охолодженням.



 

Схожі патенти:

Електрод для плазмового пальника з новим способом складання і поліпшеною теплопередачею

Винахід відноситься до області плазмової техніки. Електрод для дугового плазмового пальника містить зовнішню стінку в цілому циліндричної форми, торцеву стінку і виступ. Торцева стінка сполучена з дистальним торцем зовнішньої стінки і служить опорою для емітує елемента, розташованого в цілому в її центральній області. Підстава виступу розташоване в цілому в центральній області торцевої стінки, а конфігурація виступу дозволяє йому з'єднуватися роз'ємним з'єднанням з електродотримачем, при цьому виступ має таку конфігурацію, що між виступом і електродотримачем утворюється, щонайменше, один канал для проходження охолоджуючої середовища, коли електрод з'єднаний з електродотримачем. У варіантах втілення винаходу роз'ємне з'єднання містить різьбове з'єднання, при цьому на виступі нарізана різьба для роз'ємного з'єднання з має різьбу трубкою охолодження електродотримача. В інших варіантах втілення винаходу, щонайменше, один канал для проходження охолоджуючої середовища утворений цим різьбовим з'єднанням. Технічний результат - підвищення терміну служби електрода. 4 н. і 25 з.п. ф-ли, 15 іл.

Спосіб нагрівання електродів і створення самостійного дугового розряду з підпалюванням від тонкої металевої зволікання у вільному просторі в магнітному полі

Винахід відноситься до галузі дослідження фізичних властивостей речовини, зокрема до дослідження процесів в газорозрядних приладах і плазмі. Технічний результат - можливість запалювання самостійного дугового розряду у відкритому вільному просторі. Між електродами при фіксованому відстані між ними подається напруга, що виникає струм плавить і випаровує тонку металеву дріт, яка розміщується у вільному просторі між електродами, при такому відстані між ними, при якому розряд без зволікання мимовільно не виникає, а між електродами створюються умови для лавинного пробою розрядного проміжку. При цьому розрядний канал поміщають в перпендикулярне до нього магнітне поле, що зменшує догляд позитивних іонів з розрядного проміжку, що служить додатковим джерелом тепла для випаровування електродів. 1ил.

Імпульсний нейтронний генератор

Винахід відноситься до джерел нейтронного випромінювання і призначений для використання при розробці нейтронних і рентгенівських генераторів. Заявлений імпульсний нейтронний генератор містить розміщені коаксіально в герметичному корпусі (1), залитому рідким діелектриком, нейтронну трубку (2), накопичувальний конденсатор (9) та високовольтний трансформатор з багаторядної вторинною обмоткою (5) і міжрядне ізоляцією, яка виступає за межі рядів, виконаної на каркасі у вигляді порожнистого циліндра з фериту з металевим дном (4). При цьому дно з'єднане з кінцем вторинної обмотки трансформатора і з мишенной частиною нейтронної трубки. Паралельно з вторинною обмоткою високовольтного трансформатора введена додаткова обмотка (6), намотана дротом з високим питомим опором, одним кінцем сполучена з металевим дном, а іншим - з початком вторинної обмотки. Технічним результатом є підвищення стабільності та терміну служби генератора, а також зменшення його габаритів. 1 іл.

Многофорсуночная плазмова трубоподібна пальник-осадитель для виробництва заготовок як напівфабрикатів для виготовлення оптичних волокон

Винахід відноситься до многофорсуночной трубообразной плазмового пальника-осадителю для виробництва заготовок для виготовлення оптичних волокон. До пальника підводиться потік середовища, що містить скляний вихідний матеріал і газ-носій, і складається перпендикулярна орієнтація поздовжньої осі пальника відносно центральної осі підкладки. Перший частковий потік першого газу або газової суміші, зокрема газу-попередника, підводиться з нижнього боку пальника до плазмі та підкладці через щонайменше одну форсунку, що проходить по поздовжній осі пальника. Другий частковий потік газу-попередника підводиться до плазмі і подожке через додаткову форсунку таким чином, що часткові потоки об'єднуються поблизу підкладки. Пальник містить засоби для подачі однієї легуючої присадки за допомогою газу-попередника. Технічний результат винаходу - підвищення ефективності осадження частинок SiO2. 2 н. і 20 з.п. ф-ли, 2 іл.

Спосіб отримання плазми іонів бору

Винахід відноситься до області плазмової техніки і може бути використано в напівпровідникової та інших галузях промисловості, де необхідна модифікація поверхонь матеріалів. Спосіб включає генерацію плазми іонів бору в імпульсному сильноточном магнетронного розряді, параметри якого достатні для реалізації режиму самораспиления мішені з бору і становлять: струм 10-50 А, напруга 1-2 кВ, тривалість імпульсу - 10-100 мкс. Ініціювання імпульсного сильноточного магнетронного розряду здійснюється шляхом запалювання постійного слабкострумового магнетронного розряду з струмом до 50 мА, напругою до 2 кВ і нагріву цим розрядом теплоізольованої електропровідним матеріалом мішені з твердотільного бору до рівня температури 400-500°C, при якій відбувається різке збільшення питомої провідності бору до значень, достатніх для стабільного горіння імпульсного сильноточного магнетронного розряду. Технічний результат - підвищення вмісту в плазмі іонів бору до 95-98%. 1 з.п. ф-ли, 2 іл.

Катод плазмового прискорювача (варіанти)

Винахід відноситься до області электроракетних двигунів, а саме, до широкого класу плазмових прискорювачів (холлівських, іонних, магнитоплазмодинамических та ін), складовою частиною яких є катод як генератор плазми. Технічний результат - підвищення ресурсу роботи катода за рахунок зменшення розпилення стінок отворів діафрагми емітерного вузла високоенергетичними з іонами плазми, що знаходиться зовні катода. Катод плазмового прискорювача по першому варіанту містить поджигной електрод, виконаний у вигляді склянки з вихідними отворами, що охоплює емітерний вузол, емітери якого охоплені єдиним корпусом і виконані у вигляді порожнистих циліндричних втулок з розташованої з боку виходу робочого тіла діафрагмою. У діафрагмі навпроти кожного емітера виконано отвір, причому осі емітерів і отворів в діафрагмі збігаються. При цьому вісь будь-якого вихідного отвору в підставі поджигного електрода не збігається з віссю кожного отвору в діафрагмі емітерного сайту. Кількість вихідних отворів на підставі поджигного електрода може збігатися з кількістю отворів в діафрагмі. Крім того, на підставі поджигного електрода може бути виконано одне виходн�тів отворів поджигного електрода, можуть бути виконані потовщення. У другому варіанті винаходу отвори для виходу робочого тіла розташовані на бічній поверхні поджигного електрода. При цьому осі вихідних отворів поджигного електрода можуть не перетинатися з віссю симетрії поджигного електрода. Крім того, зовнішня торцева поверхня емітерного вузла може бути забезпечена захисним кожухом. Кожух виконують з матеріалу, що має підвищену стійкість до розпорошення частинками з високими енергіями, наприклад, з вуглецю.2 н. і 5 з.п. ф-ли, 3 іл.

Спосіб одержання оптичного розряду в газі і пристрій для його здійснення

Винахід відноситься до області лазерних технологій. Спосіб одержання оптичного розряду в газі полягає в оптичному пробої газу з утворенням поглинаючої плазмової області та її підтримку в промені лазера протягом тривалості його впливу. При цьому пробій газу з утворенням плазмової області здійснюють шляхом фокусування випромінювання короткоімпульсних лазера, а підтримання плазмової області здійснюють у резонаторі неперервного лазера або лазера з великою тривалістю імпульсу за рахунок багаторазового проходження випромінювання неперервного лазера або лазера з великою тривалістю імпульсу через оптичний розряд. Технічний результат полягає в підвищенні ефективності використання енергії лазера. 4 н. і 2 з.п. ф-ли, 2 іл.

Плазмовий джерело проникаючого випромінювання

Винахід відноситься до плазмової техніки, зокрема до электроразрядним пристроїв типу "плазмовий фокус", і може бути використано в якості генератора разових імпульсів рентгенівського і нейтронного випромінювань для дослідницьких і прикладних задач. Пристрій містить газорозрядну камеру, що складається з двох сферичних металевих електродів, розділених ізолятором, генератор імпульсних струмів - конденсаторну батарею з високовольтним включає комутатором, генератор робочого газу з джерелом електричного живлення, а також шунтувальний комутатор, який розташований на тильній частині електродів поза камерою і виконаний, наприклад, у вигляді циліндричного розрядника з високовольтним електродом і корпусом, на якому розміщені іскрові джерела запалювання. В якості комутатора можливе також використання збірки промислових високовольтних напівпровідникових комутаторів. Технічний результат - мінімізація надходження домішок - продуктів ерозії електродів і міжелектродного ізолятора - в розрядну камеру, підвищення ресурсу роботи джерела випромінювання, а також виходу проникаючого випромінювання. 2 з.п. ф-ли, 1 іл.

Плазматрон для нанесення покриттів у динамічному вакуумі

Винахід відноситься до області плазмової обробки матеріалів, зокрема для нанесення покриттів, і може знайти застосування в плазмометаллургии, плазмохимії і машинобудівної промисловості. Технічний результат - підвищення надійності роботи плазмотрона при нанесенні покриттів із порошків речовин з різною температурою плавлення, спрощення конструкції плазмотрона і поліпшення експлуатаційних і фізико-механічних характеристик покриттів. У плазматроне, що містить катод з циліндричною термоемісійної вставкою, сопло-анод, ізолятор, завихрительний блок з тангенціальними отворами, систему охолодження, канал одночасного введення плазмоутворюючого газу і порошку, організовується робота дуги не на дозвукових частини, а в надзвуковий частини сопла-анода. При цьому циліндрична термоэмисионная вставка катода виконана у вигляді центрального тіла сопла-анода, сумарна площа поперечних перерізів тангенціальних отворів завихрительного блоку дорівнює площі щілинного зазору між стінкою сопла-анода і циліндричної термоемісійної вставкою катода, кінець якої збігається з початком розширюється надзвуковий частини сопла-анода. 2 іл.

Плазмове пристрій для cvd

Винахід відноситься до плазмового пристрою для хімічного осадження покриття з парової фази (CVD) на підкладку у вигляді плівки або листа. Пристрій включає вакуумну камеру, пару роликів для напилення, розташованих у вакуумній камері, навколо яких намотана підкладка, яка є мішенню для осадження, і генерує магнітне поле секцію, яка генерує генеруюче плазму магнітне поле на поверхні роликів для напилення, формуючи ділянку для осадження, на якому напилюють покриття на згадану підкладку. Пара роликів для напилення включає перший ролик для напилення та другий ролик для напилення, відокремлений від першого ролика для напилення проміжком таким чином, що осі згаданих роликів паралельні. Генерує магнітне поле секція розташована таким чином, що перший ділянку для напилення сформований в контрпространстве, яке являє собою простір між парою роликів для напилення. Другий ділянку для напилення сформований на ділянці, суміжній з поверхнею роликів для напилення. Дана ділянка знаходиться поза контрпространства. Розроблено пристрій, що забезпечує безперервне осадження покриття методом CVD з високою вироб�
Up!