Плазменный прерыватель тока

 

Изобретение относится к ускорительной технике, может использоваться в электрофизических установках для получения высокоэнергетичных электронных пучков, а также в генераторах импульсов высокого напряжения. Плазменный прерыватель тока содержит потенциальные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником питания и подключенные к нагрузке, и по меньшей мере один плазменный инжектор. Дополнительный электрод расположен вне межэлектродного промежутка, изолирован от ближайшего к нему электрода и соединен по крайней мере одним проводником с другим электродом. Проводник размещается между плазменным инжектором и нагрузкой. Дополнительный электрод и ближайший к нему электрод подключены к источнику питания. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении дрейфа плазмы в сторону, обратную от диода. 1 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в электрофизических установках для получения высокоэнергетичных электронных пучков, а также в генераторах импульсов высокого напряжения.

Известно, что индуктивные накопители энергии (ИНЭ) являются одним из наиболее рациональных типов накопителей энергии благодаря простоте конструкции, хорошим массогабаритным показателям и более высокой плотности запасаемой энергии по сравнению с емкостными накопителями. Одним из самых важных узлов ИНЭ является коммутатор, работающий как прерыватель тока.

Известен прерыватель тока в генераторе на основе индуктивного накопителя энергии, представляющий собой систему взрывающихся проволочек [1. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. -М.: Сов. радио, 1974]. Основным недостатком такого прерывателя является большая длительность процесса переключения (порядка нескольких микросекунд), поэтому не удается получать достаточно большое напряжение в высоковольтном импульсе.

Наиболее близким по технической сущности является плазменный прерыватель тока (ППТ), содержащий потенциальные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником питания и подключенные к нагрузке, и по меньшей мере один плазменный инжектор [2. Месяц Г.А., Ковальчук Б. М. Генератор мощных наносекундных импульсов с вакуумной изоляцией и плазменным прерывателем. Докл. АН СССР, 1985, т. 284, N 4, с. 857]. Переключение тока из ИНЭ в нагрузку происходит за счет разрыва плазменных токовых каналов в ППТ вследствие резкого уменьшения проводимости плазмы при достижении в системе критического тока. Величина критического тока зависит от плотности плазмы, скорости каналов плазмы, сечения токового канала, массы ионов.

При работе известного ППТ плазма, инжектированная в межэлектродный зазор ИНЭ, замыкает цепь накопления тока. При этом плазма сносится в сторону нагрузки, выполненной в виде вакуумного диода. Попадая в диод, плазма закорачивает диодный промежуток, что приводит к уменьшению напряжения высоковольтного импульса и уменьшению энергии ускорения электронного пучка.

Техническая задача заключается в том, что необходимо повысить напряжение высоковольтного импульса и энергию ускорения электронного пучка путем исключения выноса плазмы в диодный промежуток (нагрузку).

Технический результат заключается в обеспечении сноса плазмы в сторону, обратную от диода (нагрузки).

Данный технический результат достигается тем, что ППТ, содержащий потенциальные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником питания и подключенные к нагрузке, и по меньшей мере один плазменный инжектор, отличается тем, что вне межэлектродного промежутка расположен дополнительный электрод, изолированный от ближайшего к нему электрода и соединенный по крайней мере одним проводником с другим электродом, причем этот проводник размещается между плазменным инжектором и нагрузкой, при этом дополнительный электрод и ближайший к нему электрод подключены к источнику питания.

То есть известная конструкция ППТ включает два потенциальных электрода, образующих межэлектродный промежуток и связанных с источником питания и нагрузкой. Кроме того, составным элементом этой конструкции является по меньшей мере один плазменный инжектор.

Введение дополнительного электрода, определенным образом связанного с двумя потенциальными электродами этой конструкции, а именно: изолированного от ближайшего к нему из двух потенциальных электродов и соединенного по крайней мере одним проводником с другим электродом; особенность расположения этого проводника в конструкции, состоящая в его размещении между плазменным инжектором и нагрузкой; вынесение этого дополнительного электрода вовне промежутка; подключение дополнительного электрода и ближайшего к нему электрода к источнику питания, позволяют сформировать контур, замыкаемый через дополнительный электрод, проводник, размещенный между плазменным инжектором и нагрузкой, плазму и потенциальные электроды.

Известно, что на проводники в магнитном поле действует сила Ампера [3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. -М.: Наука, 1979, с. 425-426], причем эта сила действует таким образом, что площадь замкнутого контура с током стремится увеличиться, поэтому в известном ППТ [2] плазма сносится в сторону диода (нагрузки), а в предполагаемом ППТ, благодаря сформированному контуру, плазма сносится в сторону, обратную от диодного промежутка. Количество проводников, размещенных между плазменным инжектором и нагрузкой, выбирается в зависимости от геометрии ППТ, его размеров и мощности.

На фиг. 1 показан пример возможного выполнения ППТ в коаксиальной геометрии (1 - первичный источник энергии, 2 - внутренний цилиндрический потенциальный электрод, 3 - дополнительный электрод, 4 - внешний цилиндрический потенциальный электрод, 5 - плазменный инжектор, 6 - радиальные проводники, 7 - входной изолятор, 8 - нагрузка). Возможно также выполнение ППТ с плоскими электродами.

Плазменный прерыватель тока содержит первичный источник энергии 1, к выходам которого подключен цилиндрический потенциальный электрод 2 и коаксиальный с ним дополнительный электрод 3, соединенный с внешним коаксиальным цилиндрическим потенциальным электродом 4 несколькими радиальными проводниками 6, размещенными между плазменными инжекторами 5 и нагрузкой 8. Вакуумный объем ИНЭ, образованного потенциальными электродами 2 и 4 и дополнительным электродом 3, отделен от первичного источника энергии входным изолятором 7. Между электродами 2 и 4 подключена нагрузка 8.

ППТ работает следующим образом. После образования плазмы в плазменном инжекторе 5 включается первичный источник энергии 1. ИНЭ запитывается током, протекающим по потенциальному электроду 2, плазме плазменного инжектора 5, части потенциального электрода 4, радиальным проводником 6, дополнительному электроду 3. При этом в области между входным изолятором 7 и плазмой магнитные поля, возникающие при прохождении тока по электроду 2 и дополнительному электроду 3, взаимно компенсируются. В то же время в области между плазмой и радиальными проводниками 6 магнитные поля, возникающие при прохождении тока по части потенциального электрода 4, ограниченной плазменным инжектором 5 и радиальным проводникам 6, суммируются. Это приводит к сносу плазмы в сторону входного изолятора 7, то есть в сторону, обратную от нагрузки (диода) 8. После разрыва плазмы плазменного размыкателя 5 высоковольтный электрический импульс прикладывается к нагрузке 8, который может использоваться для ускорения электронного пучка.

Таким образом, вынос плазмы в диодный промежуток, приводящий в известном ППТ к уменьшению энергии ускорения электронного пучка или уменьшению высоковольтного импульса, в данном ППТ исключается. По численным оценкам использование данного ППТ приведет к увеличению выходного напряжения в 1,5 - 1,8 раза по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

Плазменный прерыватель тока, содержащий потенциальные электроды, образующие вакуумный межэлектродный промежуток, связанные с источником питания и подключенные к нагрузке, и по меньшей мере один плазменный инжектор, отличающийся тем, что вне межэлектродного промежутка расположен дополнительный электрод, изолированный от ближайшего к нему электрода и соединенный по крайней мере одним проводником с другим электродом, причем этот проводник размещен между плазменным инжектором и нагрузкой, при этом дополнительный электрод и ближайший к нему электрод подключены к источнику питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1