Способ формирования плазменного слоя в плазменном прерывателе тока и устройство для его осуществления

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в электрофизических установках для получения мощных электромагнитных импульсов с длительностью импульса в несколько десятков наносекунд, рентгеновского излучения и т.д. Способ включает генерацию плазмы вне межэлектродного промежутка вакуумной камеры плазменного прерывателя тока (ППТ), формирование радиального плазменного слоя в межэлектродном промежутке ППТ. Генерацию плазмы производят за пределами вакуумной камеры ППТ, поток плазмы инжектируют в вакуумную камеру вдоль ее оси, формируют плазменный слой путем преобразования аксиальной скорости плазменного потока в радиальную. Устройство для осуществления способа (ППТ) содержит образующие вакуумную камеру внешний и внутренний коаксиальные электроды, электрически соединенные с источником энергии, источник плазмы с системой формирования плазменного слоя, обеспечивающий инжекцию плазмы в межэлектродный промежуток плазменного прерывателя тока. Плазменный инжектор вынесен за пределы вакуумной камеры, сообщается с ней через плазмовод, обращенный в сторону внутреннего электрода, и расположен вдоль оси вакуумной камеры, системой формирования плазменного слоя служит установленный в вакуумной камере осесимметричный отражатель плазмы. Отражатель плазмы может быть выполнен в виде конуса. Отражатель плазмы может быть установлен на торцевой поверхности внутреннего электрода ППТ. Отражатель плазмы может быть размещен в полости внутреннего электрода, в боковой поверхности которого напротив места его размещения выполнены отверстия для вывода плазмы. Эти отверстия могут иметь форму щели. На осевых границах зоны отверстий в межэлектродный промежуток могут быть введены элементы, ограничивающие размеры формируемого плазменного слоя. Эти элементы могут быть выполнены в форме дискообразных концентрических пластин. Технический результат способа заключается в технологичном формировании в межэлектродном промежутке ППТ однородного плазменного слоя. Технический результат устройства для его осуществления (плазменного прерывателя тока) заключается в упрощении конструкции ППТ, что обеспечивает удобство эксплуатации, расширении возможностей компоновки узла ППТ, получении пространственного однородного плазменного слоя. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в электрофизических установках для получения мощных электромагнитных импульсов с длительностью импульса в несколько десятков наносекунд, рентгеновского излучения и т.д.

Известен способ создания плазменного слоя в плазменном прерывателе тока (ППТ) [V.A.Kokchenev, N.E.Kurmaev, F.I.Fursov, "Megampere microsecond POS", Proc. 12th Symp. High Current Electronics, Tomsk, 2000, vol. 2, p.268], при котором генерируемая плазма инжектируется от поверхности вакуумной камеры, являющейся внешним электродом, радиально к внутреннему электроду. Недостаток способа состоит в том, что возникает аксиальная неоднородность инжектируемой плазмы из-за дискретного расположения плазменных пушек.

Известен плазменный прерыватель тока (ППТ) [V.A.Kokchenev, N.E.Kurmaev, F.I.Fursov, "Megampere microsecond POS", Proc. 12th Symp. High Current Electronics, Tomsk, 2000, vol. 2, p.268] с плазменными источниками, расположенными на наружной поверхности внешнего электрода емкостного накопителя. Коаксиальные внешний и внутренний электроды ППТ, образующие вакуумную камеру, соединены соответственно с электродами источника энергии и закорачиваются плазменным слоем, образованным системой источников плазмы. При этом количество плазменных инжекторов в данном устройстве достигает нескольких десятков единиц. Недостатком такой схемы является слишком большое количество источников плазмы. Это усложняет процесс синхронизации работы плазмообразующей системы и вносит неудобства в эксплуатацию.

Известен способ создания плазменного слоя в ППТ [John J. Moschella, Richard С. Hazelton, "An inverse pinch plasma source for plasma opening switches," IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 28, pp.2247-2255, Dec. 2000]. Способ заключается в генерации плазмы во внутреннем электроде вакуумной камеры ППТ (вне межэлектродного промежутка) с последующим ее радиальным расширением в область межэлектродного пространства ППТ. Недостаток способа состоит в том, что несимметричное расширение плазменного облака может привести к возникновению неоднородностей формирующегося в межэлектродном промежутке ППТ плазменного слоя.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является ППТ [John J. Moschella, Richard С. Hazelton, "An inverse pinch plasma source for plasma opening switches," IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 28, pp.2247-2255, Dec. 2000], выбранный за прототип устройства. Этот прерыватель тока построен на источнике плазмы с обратным пинчем. Газовое облако вводится в межэлектродное пространство плазменного источника при срабатывании газового клапана источника плазмы. При электрическом пробое между электродами плазменного источника образуется проводящий цилиндр, расширяющийся в направлении области межэлектродного промежутка вакуумной камеры, обеспечивая, таким образом, с помощью определенной системы формирование плазменного слоя в ППТ. Данная конструкция имеет ряд недостатков. Во-первых, источник плазмы установлен внутри центрального электрода. Это требует достаточного места и накладывает ограничения на геометрический размер внутреннего проводника. При такой компоновке также существенно затруднен доступ к плазменному источнику. Во-вторых, система питания плазменного источника достаточно громоздка, высоковольтные вводы требуют тщательной электрической изоляции. Кроме того, при инициировании электрического пробоя между электродами источника плазмы возможно образование несимметричного плазменного слоя, что приведет к азимутальной неоднородности формирующейся плазменной оболочки.

Задачей предлагаемого решения является оптимизация способа образования плазменного слоя и создание конструкции ППТ, реализующей этот способ, с улучшенными рабочими характеристиками.

Технический результат способа заключается в технологичном формировании в межэлектродном промежутке ППТ однородного плазменного слоя.

Технический результат устройства для его осуществления (плазменного прерывателя тока) заключается в упрощении конструкции ППТ, что обеспечивает удобство эксплуатации, расширении возможностей компоновки узла ППТ, получении пространственно однородного плазменного слоя.

Технический результат способа достигается тем, что в отличие от известного способа, включающего генерацию плазмы вне межэлектродного промежутка вакуумной камеры ППТ, формирование радиального плазменного слоя в межэлектродном промежутке ППТ, в предлагаемом способе генерацию плазмы производят за пределами вакуумной камеры ППТ, поток плазмы инжектируют в вакуумную камеру вдоль ее оси, формируют плазменный слой путем преобразования аксиальной скорости плазменного потока в радиальную.

Генерация плазмы за пределами вакуумной камеры позволяет обеспечить независимость работы источника плазмы от процессов, происходящих во внутреннем объеме вакуумной камеры, что повышает технологичность способа, в отличие от прототипа, где в процесс генерации плазмы завязаны внутренние характеристики вакуумной камеры. При этом обязательным является обеспечение инжекции потока плазмы в вакуумную камеру вдоль ее оси, что позволяет путем преобразования аксиальной скорости плазменного потока в радиальную повысить однородность сформированного плазменного слоя за счет обеспечения симметричного его расширения в межэлектродный промежуток и снятия условий возникновения его неоднородностей.

В заявке предложено одно из возможных устройств, реализующих заявленную в способе последовательность операций, способствующих созданию требуемого плазменного слоя.

Технический результат устройства достигается тем, что в отличие от плазменного прерывателя тока, содержащего образующие вакуумную камеру внешний и внутренний коаксиальные электроды, электрически соединенные с источником энергии, источник плазмы с системой формирования плазменного слоя, обеспечивающий инжекцию плазмы в межэлектродный промежуток плазменного прерывателя тока, в предлагаемом ППТ плазменный инжектор вынесен за пределы вакуумной камеры, сообщается с ней через плазмовод, обращенный в сторону внутреннего электрода, и расположен вдоль оси вакуумной камеры, системой формирования плазменного слоя служит установленный в вакуумной камере осесимметричный отражатель плазмы.

Отражатель плазмы может быть выполнен в виде конуса.

Отражатель плазмы может быть установлен на торцевой поверхности внутреннего электрода ППТ.

Отражатель плазмы может быть размещен в полости внутреннего электрода, в боковой поверхности которого напротив места его размещения выполнены отверстия для вывода плазмы.

Эти отверстия могут иметь форму щели.

На осевых границах зоны отверстий в межэлектродный промежуток могут быть введены элементы, ограничивающие размеры формируемого плазменного слоя.

Эти элементы могут быть выполнены в форме дискообразных концентрических пластин.

В ППТ плазмообразующая система с плазменным инжектором вынесена за пределы вакуумной камеры, сообщается с ней через плазмовод, обращенный в сторону внутреннего электрода (плазменный инжектор расположен вдоль оси вакуумной камеры), и представляет собой самостоятельный узел, что способствует упрощению конструкции ППТ, обеспечивающее удобство эксплуатации, и расширяет возможности компоновки узла ППТ. Плазма аксиально вводится через плазмовод внутрь центрального электрода - катода, а затем выводится из него в межэлектродную область ППТ с помощью осесимметричного отражателя, являющегося элементом системы формирования плазменного слоя, или, отражаясь от отражателя на торце центрального электрода, выводится в область ППТ радиально. Примером выполнения отражателя является отражатель с конической поверхностью, обеспечивающий осесимметричное отражение плазмы. Применение осесимметричного отражателя позволяет получить пространственно однородный плазменный слой. Как возможный вариант, расположение отражателя снаружи внутреннего электрода позволяет непосредственно формировать плазменный слой в межэлектродном пространстве (например, размещение конического отражателя осесимметрично внутреннему электроду на его торце). Возможным вариантом расположения отражателя, технологически более сложным, является его размещение в полости внутреннего электрода, при этом для обеспечения выхода плазменного слоя в межэлектродное пространство необходимо выполнение в боковой поверхности электрода напротив места размещения отражателя отверстий. Выполнение отверстий в форме щели позволит регулировать аксиальную длину плазменного слоя. На осевых границах зоны отверстий в межэлектродный промежуток могут быть введены элементы, уменьшающие расширение плазменного слоя в межэлектродной области. Эти элементы могут быть выполнены в форме дискообразных концентрических пластин, что обусловлено цилиндрической геометрией вакуумной камеры и катода.

Таким образом, при заявленной компоновке ППТ геометрия и размеры электродов вакуумной камеры прерывателя не зависят от конструкции плазменного источника. Это упрощает конструкцию ППТ и обеспечивает возможность оперативной замены как плазменного источника, так и элементов ППТ, что расширяет режимные возможности ППТ. Например, изменение параметров внутреннего электрода позволяет варьировать межэлектродный промежуток, длину и конфигурацию токового канала как в фазе накопления тока, так и в фазе разрыва тока (изменение дрейфового пространства). Использование различных плазменных инжекторов в плазмообразующей системе также позволяет расширить рабочий диапазон ППТ. При этом обеспечена пространственная однородность плазменного слоя.

На фиг.1 изображен плазменный прерыватель тока с коаксиальным газовым плазменным инжектором, плазмоводом, катодом с отверстиями для вывода плазмы и осесимметричным конусным отражателем плазмы, размещенным в полости внутреннего электрода.

На фиг.2 изображен плазменный прерыватель тока с коаксиальным газовым плазменным инжектором, плазмоводом, катодом, осесимметричным конусным отражателем плазмы внутри катода и дискообразными концентрическими пластинами, ограничивающими плазменный слой.

На фиг.3 изображен плазменный прерыватель тока с коаксиальным газовым плазменным инжектором, плазмоводом, катодом и осесимметричным конусным отражателем плазмы, установленным на торцевой поверхности катода.

Предлагаемый плазменный прерыватель тока (устройство для осуществления способа) содержит источник энергии 1, электрически соединенный через линию передачи тока 2 с корпусом вакуумной камеры, образованной внешним электродом 3, осесимметричный конусный отражатель плазмы 4 (система формирования плазменного слоя), внутренний электрод 5, плазменный инжектор 10, вынесенный за пределы вакуумной камеры, с плазмоводом 6, расположенным вдоль оси вакуумной камеры и обращенного в сторону внутреннего электрода, клапан импульсного напуска газа 8, источники питания плазменного инжектора 7 и газового клапана 9. Внутренний электрод ППТ может быть с выполненными на его боковой поверхности отверстиями 11, зона отверстий может быть ограничена элементами 12 (фиг.1 - 3).

В примере конкретного выполнения источником энергии может служить емкостный накопитель энергии, собранный по схеме генератора импульсного тока. Другим типом источника энергии может быть взрывомагнитный генератор (см. [Г. Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М.: Мир, 1972, с.256]).

Линия передачи тока от источника энергии к электродам ППТ может представлять собой кабельную линию или, например, коаксиальную линию, заполненную жидким или газообразным диэлектриком.

Плазмообразующая система ППТ представляет собой систему, содержащую плазменный инжектор с источником питания и плазмовод, транспортирующий плазму в межэлектродный зазор ППТ. Могут применяться плазменные инжекторы как с импульсным напуском газа, так и без него. Первый тип инжекторов (коаксиальный, индукционный инжектор и др.) основан на сильноточном газовом разряде и требует дополнительной системы для импульсного напуска газа в межэлектродное пространство инжектора, а также источник питания газового клапана. Плазменные инжекторы без импульсного напуска газа (кабельные инжекторы, флэшборды и др.) основаны на сильноточном вакуумном пробое по поверхности диэлектрика с питанием от генераторов импульсных токов.

Работа устройства начинается с включения автономной плазмообразующей системы 7, 8, 9, 10 для заполнения межэлектродного промежутка плазменного прерывателя тока плазменным слоем. Здесь реализуются операции заявляемого способа, связанные с генерацией плазмы за пределами вакуумной камеры ППТ и инжекцией потока плазмы в вакуумную камеру вдоль ее оси. Далее происходит формирование плазменного слоя при преобразовании аксиальной (осевой) скорости плазменного потока, которой характеризуется поток плазмы при его осевой инжекции в вакуумную камеру, в радиальную, например, с помощью предложенных ниже отражателей. Формирование плазменного слоя происходит с помощью осесимметричного отражателя плазмы 4 (например, с конической поверхностью). При этом отражатель может быть расположен внутри центрального (внутреннего) электрода 5 вакуумной камеры. В этом случае обязательным является наличие отверстий для выхода плазмы, например, в форме щелей 11 в боковой поверхности внутреннего электрода (фиг.1); вне внутреннего электрода 5 вакуумной камеры на его торце (в данном случае нет необходимости в отверстиях) (фиг.3), а в случае с отверстиями (фиг.2) осевые границы зоны отверстий могут быть ограничены элементами 12, введенными в межэлектродный зазор, например в форме дискообразных концентрических пластин. Вслед за этим включается источник энергии 1. Генерируемый им ток проходит по передающей линии 2, электродам 3, 5 ППТ и плазменному токовому каналу, шунтирующему нагрузку в фазе накопления тока. Время накопления тока определяется емкостью источника энергии и суммарной индуктивностью источника энергии, линии передачи тока и электродов ППТ.

При достижении током критического уровня, определяемого геометрией и плазменными параметрами ППТ, фазу накопления тока сменяет фаза разрыва тока. При этом наблюдается резкий рост сопротивления плазменного токового канала, генерируется ЭДС самоиндукции, далее генерируемый электромагнитный импульс передается в нагрузку.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет добиться требуемого технического результата. Выполнение технической задачи связано с вынесением плазмообразующей системы в самостоятельный узел, внешний по отношению к корпусу ППТ (внешнему электроду ППТ), и использованием определенных отражателей плазмы, что позволяет реализовать операции заявляемого способа, связанные с особенностями генерации, инжекции плазмы и формирования плазменного слоя. Это предоставляет дополнительные возможности по компоновке элементов ППТ, упрощает доступ к плазменному инжектору и его системе питания. Возможность оперативной замены как плазменного источника, так и элементов ППТ расширяет диапазон работы ППТ. При этом обеспечена пространственная однородность плазменного слоя.

Способ реализуется более технологично, позволяя от одного плазменного инжектора получить пространственно однородный плазменный слой в межэлектродном промежутке ППТ.

1. Способ создания плазменного слоя в плазменном прерывателе тока, включающий генерацию плазмы вне межэлектродного промежутка вакуумной камеры плазменного прерывателя тока, формирование радиального плазменного слоя в межэлектродном промежутке, отличающийся тем, что генерацию плазмы производят за пределами вакуумной камеры, поток плазмы инжектируют вдоль ее оси, формируют плазменный слой путем преобразования аксиальной скорости плазменного потока в радиальную.

2. Плазменный прерыватель тока, содержащий образующие вакуумную камеру внешний и внутренний коаксиальные электроды, электрически соединенные с источником энергии, источник плазмы с системой формирования плазменного слоя, обеспечивающий инжекцию плазмы в межэлектродный промежуток плазменного прерывателя тока, отличающийся тем, что плазменный инжектор вынесен за пределы вакуумной камеры, сообщается с ней через плазмовод, обращенный в сторону внутреннего электрода, и расположен вдоль оси вакуумной камеры, системой формирования плазменного слоя служит установленный в вакуумной камере осесимметричный отражатель плазмы.

3. Плазменный прерыватель тока по п.2, отличающийся тем, что отражатель плазмы выполнен в виде конуса.

4. Плазменный прерыватель тока по п.2 или 3, отличающийся тем, что отражатель плазмы установлен на торцевой поверхности внутреннего электрода.

5. Плазменный прерыватель тока по п.2 или 3, отличающийся тем, что отражатель плазмы размещен в полости внутреннего электрода, в боковой поверхности которого напротив места его размещения выполнены отверстия для вывода плазмы.

6. Плазменный прерыватель тока по п.5, отличающийся тем, что отверстия имеют форму щели.

7. Плазменный прерыватель тока по п.5 или 6, отличающийся тем, что на осевых границах зоны отверстий в межэлектродный промежуток введены элементы, ограничивающие размеры формируемого плазменного слоя.

8. Плазменный прерыватель тока по п.7, отличающийся тем, что элементы выполнены в форме дискообразных концентрических пластин.