Установка ЛаПлаС

     Система генерации магнитного поля включает в себя соленоид, состоящий из нескольких катушек, крепежного каркаса и источника питания. Расположение катушек основано на анализе системы колец Гельмгольца, обеспечивающей максимальную однородность поля в области между катушками.

     Катушки намотаны шиной квадратного сечения со стороной 20 мм, внутри которой имеется канал диаметром 9 мм, предназначенный для протекания охлаждающей жидкости. Шина изготовлена из безкислородной меди высокой чистоты, которая обладает высокой электропроводностью (не менее 58,0 МСм/м, теплопроводностью, превосходной паяемостью и свариваемостью. Таким образом, сечение шины по меди составляет 335,5 мм².

      Конструктивно катушка состоит из пяти секций, представляющих собой двухслойные плоские галеты, содержащие по 20 витков. Полное число витков в катушке составляет 100 штук. Отдельные секции катушки соединены между собой последовательно внешними перемычками.

     Для питания магнитных катушек был выбран регулируемый источник питания PS 1080 фирмы Elektro-automatik. Источник обеспечивает до 1.5 кА постоянного тока при максимальном напряжении 80 В. Такой источник питания обеспечивает стабилизацию заданного значения выпрямленного тока для генерации продольного однородного магнитного поля с магнитной индукцией до 0,2 Тл.

     Вакуумная камера создавалась таким образом, чтобы имелась возможность секционного наращивания размеров установки, а, следовательно, ее производительности.

     Толщина стенок вакуумной камеры, крышек и заглушек выбрана на основании анализа статических напряжений при получении вакуума в собранной камере сепарации. Составная вакуумная камера, крышки, заглушки и все вакуумные сварные швы, соединения, уплотнения и средства откачки обеспечивают предельное остаточное давление в камере 10^-5 Торр при скорости откачки более 300 л/с.

     Разрядная камера, откачивается двух уровневой вакуумной системой. На первой стадии работают два форвакуумных насоса 2НВР-60Д. С их помощью камера откачивается от 750 до 5∙10^-3 Торр. Более глубокий вакуум вплоть до 1∙10^-5 Торр обеспечивается благодаря диффузионному паромасляному насосу НВДМ 160. Давление регистрируется по датчикам ПМИ-10-2 и ПМТ-6-3М-1. Напуск газа осуществляется с помощью расходомера MKS Digital Mass Flow Controller 1179B в диапазоне 0-50 ст. куб. см./мин.

     Разделение компонентов ОЯТ предполагает создание специальной конфигурации электрического и магнитного полей, а также нейтрализацию объемного заряда в потоке сепарируемого вещества. Для решения этих задач рабочий объем сепаратора должен быть заполнен низкотемпературной плазмой. С этой целью было предложено использовать высокочастотный индукционный разряд, создаваемый винтовой антенной на частоте не выше 13,56 МГц, с возможностью передачи в плазму мощности до 40 кВт. Исходя из этих предпосылок, была создана система генерации буферной плазмы, в состав которой входят следующие элементы: ВЧ генератор, высокочастотные антенны, вакуумные вводы, согласующие устройства, фидерная линия, КСВ-метр. Основные технические характеристики системы приведены в таблице ниже.

     ВЧ генератор конструктивно выполнен в виде трех блоков: блок питания, блок фильтров, высокочастотный блок. Блок питания представляет собой стальной шкаф с двумя лицевыми дверьми для доступа к аппаратуре, расположенной внутри блока: силовой автомат, токовые автоматы, индикаторы трехфазного напряжения, пусковые и коммутирующие контакторы, силовой контактор, регулятор мощности трехфазный тиристорный, трехфазный высоковольтный выпрямитель, конденсаторы и сопротивления фильтров, анодный трансформатор.

     Блок фильтров представляет собой стальной шкаф с одной лицевой дверью. Внутри шкафа расположены: дроссель, фильтрующие конденсаторы, сопротивление гридлика, трансформатор накала генераторный лампы, сопротивления ступенчатого включения накала генераторный лампы.

     Блок высокочастотный представляет собой стальной шкаф с встроенным внутри алюминиевым экранирующим корпусом со съемными экранирующими щитами. Внутри экранирующего корпуса находятся элементы высокочастотного анодного контура: генераторная лампа ГУ-23А, фильтрующие дроссели, регулятор мощности, регулятор обратной связи, конденсаторы проходные, конденсаторы сеточные, конденсатор анодно-проходной, конденсатор вакуумный переменный. В правой части алюминиевого корпуса имеется отверстия для выхода высокочастотной шины к четырем радиочастотным кабелям фидерной линии.

     Объем 1 на рисунке является непосредственной частью рабочего объема плазменного сепаратора (т.е. области, в которой генерируется плазма, создается необходимая конфигурация скрещенных электрических и магнитных полей, и идет процесс разделения элементов разных масс). Объем 2 герметично отделен от объема 1 при помощи диэлектрического цилиндра, пропускающего ВЧ излучение. В этом объеме располагается соленоидальный индуктор-антенна. Система регулирования расхода газа и давления в объеме 2 подразумевает возможность как создания вакуума (до 10^-6 Торр), так и создания заданного избыточного давления (до 4 атм.) в атмосфере инертных газов. Такой подход позволяет избежать возникновения пробоев между индуктором и проводящей обечайкой камеры при повышении мощности генератора и достижении на индукторе максимального ожидаемого напряжения до 20 кВ (при мощности ВЧ источника 40 кВт) за счет смещения вдоль одной из ветвей кривой Пашена.

     Электрическое поле в плазменном объеме Сепаратора, необходимое для разделения траекторий ионов, создается при помощи системы торцевых электродов, на которые опираются магнитные силовые линии, проходящие через объем плазмы с замагниченными электронами. Из-за существенной анизотропии замагниченной плазмы, а именно, из-за отличия на несколько порядков проводимостей вдоль магнитного поля и поперек, плазма вблизи линии магнитного поля принимает (с точностью до температуры) потенциал электрода, на который опирается эта магнитная линия. Таким образом, задав распределение потенциалов на системе электродов, становится возможным задать распределение электростатического потенциала в объеме плазмы.

     Были разработаны и реализованы три типа систем торцевых электродов. Все они обладали следующими свойствами:

•      Поперечные размеры конструкции ограничены внутренним диаметром камеры. Конструкция вынимается из камеры вместе с торцевыми фланцами для обеспечения доступа внутрь камеры. Размещению конструкции не препятствуют ВЧ антенны генерации буферной плазмы.
•      Электроды имеют непосредственный контакт с буферной плазмой и минимально ограничивают её объем в вакуумной камере, т.е. максимально удалены от области сепарации для устранения краевых эффектов. Поэтому расстояние от торцевых фланцев до плоскостей электродов выбрано минимальным, но обеспечивает защиту электродов от пробоя на заземлённый корпус, удобный монтаж и вывод проводов питания.
•      Обеспечена эргономичность в сборке, обслуживании и эксплуатации электродов. В процессе подготовки к экспериментам может возникнуть необходимость развакуумирования камеры и внесения изменений в конфигурацию электродов, поэтому конструкция не мешает частой разгерметизации камеры и позволяет заменять отдельные элементы не разбирая всю систему.

     Первый тип системы торцевых электродов предназначен для исследования конфигураций электрических полей в широком диапазоне геометрических параметров. Он предусматривает возможность создания несимметричных профилей электрического потенциала. Электродами в такой системе являются большое число (до 200 штук) электрически изолированных отдельных элементов, питание которых обеспечивается через отдельные вакуумные вводы электричества. Вакуумные электрические вводы выполнены на основе блочных 33-х контактных герметичных соединителя  вмонтированных в вакуумный фланец.

     Второй тип системы торцевых электродов состоит из цельных электродов фиксированной геометрии. Этот тип электродов предназначен для работы в условиях высоких плотностей потоков энергии на торец камеры. Внутри кольцевого и кругового электрода реализован замкнутый контур водяного охлаждения с одновременной подачей питания от источников постоянного напряжения.

      Для изоляции открытых поверхностей торцевых фланцев вакуумной камеры изготовлены два экрана диаметром 800 мм и толщиной 5 мм из огнеупорной стеклокерамики Robax.

     Третий тип системы торцевых электродов состоит из 7 соосных электродов  (внешний диаметр сборки 780 мм), каждый электрод имеет форму усеченного конуса. Напряжение каждого из электродов может варьироваться независимо от остальных электродов сборки. Главной особенностью такой системы это то, что в ней отсутствуют части торцевого изолятора обращенные к плазме. Вся поверхность торцевого изолятора экранируется от плазмы металлическими электродами. Угол между образующей конуса и его снованием подбирался таким образом, что бы линии криволинейного магнитного поля не огибал электроды, и не опирались на изолятор.