Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель



Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель
Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель

 

H05H1/54 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2406278:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к области электротехники и электрофизики. Технический результат - увеличение эффективности использования титанового ствола ускорителя как расходного материала при электроэрозионной наработки титановой плазмы с поверхности ускорительного канала в процессе ускорения в нем сильноточного (порядка 105 А) дугового разряда типа Z-пинч для получения ультрадисперсных порошкообразных материалов на основе титана. Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель с титановыми электродами выполнен в виде коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего ствола, внутри которого размещена титановая плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный титановый электрод, который присоединен к одной клемме цепи электропитания ускорителя. Цепь электропитания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода. Второй конец соленоида электрически соединен с началом ствола, а вершина центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола. Корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки. Длина ускорительного канала титанового ствола равна длине соленоида, а на торце ствола установлена цилиндрическая вставка из стали Ст.3, длиной 15-20 мм и толщиной 3-5 мм. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области электротехники и электрофизики, а именно к экспериментальной физике и ускорительной технике, и может быть использовано для ускорения плазмы и макротел до гиперскоростей, а также для получения ультрадисперсных порошков титана и его соединений: оксидов, нитридов и др. путем распыления материала гиперскоростной плазменной струи в свободном пространстве.

Известен коаксиальный ускоритель (патент РФ №2150652, опубл. 10.06.2000 г., МПК7 F41B 6/00), который состоит из коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего ствола, внутри которого размещена плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя. Цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода. Второй конец соленоида электрически соединен с началом ствола, а вершины центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола. Корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки.

Недостатком данного устройства является неравномерность электроэрозионного износа по длине ускорительного канала, обусловленная повышением эрозии на начальном участке ствола длиной 40-50 мм, что при многократном использовании ствола может привести к обгоранию начального участка ствола и невозможности его дальнейшего использования.

Известен коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, выбранный в качестве прототипа (патент РФ на полезную модель РФ №61856, МПК F41B 6/00, опуб. 10.03.2007 г., бюл. №7, приор. 12.05.2006 г.), выполненный в виде коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего ствола, внутри которого размещена плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя. Цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода. Второй конец соленоида электрически соединен с началом ствола, а вершины центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола. Корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки. Длина части перекрывающей зону размещения плавкой перемычки составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной.

Недостатком этого устройства является низкая эффективность использования токопроводящего ствола ускорителя как расходного материала при электроэрозионной наработке рабочего материала с поверхности ускорительного канала в процессе ускорения в нем сильноточного дугового разряда (порядка 105 А) типа Z-пинч для получения ультрадисперсных порошкообразных материалов на основе титана.

Задачей изобретения является создание коаксиального магнитоплазменного ускорителя, позволяющего эффективно использовать расходный материал - ствол, у которого электроэрозионный износ поверхности ускорительного канала титанового ствола по его длине близок к постоянному.

Поставленная задача достигается за счет того, что коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, также как в прототипе, выполнен в виде коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего титанового ствола, внутри которого размещена плавкая титановая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и титановый центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя. Цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода. Второй конец соленоида электрически соединен с началом титанового ствола. Вершина центрального электрода, начало титанового ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси титанового ствола. Корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки. Длина части перекрывающей зону размещения плавкой перемычки составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной.

Согласно предложенному решению длина ускорительного канала ℓук титанового ствола равна длине соленоида ℓc, а на торце ствола установлена цилиндрическая вставка из стали Ст.3, длиной 15-20 мм и толщиной 3-5 мм.

Выравнивание эрозионного износа достигается за счет исключения участка титанового ствола с малой эрозией, а также установкой цилиндрической вставки из стали Ст.3 на срез ствола, длиной 15-20 мм и толщиной 3-5 мм. В предложенном устройстве исключен участок ствола с малой эрозией, а цилиндрическая вставка создает ступенчатое изменение толщины стенки ствола, создает "магнитную пробку" движению плазмы сильноточного дугового разряда, выравнивает эрозионный износ ствола и тем самым позволяет эффективно использовать расходный материал - ствол ускорителя.

На фиг.1 изображен коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, на фиг.2 зависимости удельного дифференциального электроэрозионного износа Δm ускорительного канала по его длине.

В таблице 1 представлены результаты испытаний коаксиального магнитоплазменного ускорителя.

Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель (фиг.1) состоит из цилиндрического электропроводящего титанового ствола 1, центрального титанового электрода 2, соединяющей их плавкой титановой перемычки 3, состоящей из металлических титановых проволочек, расходящихся от центрального электрода 2 и огибающих торцевую часть изолятора 4 центрального электрода 2. Корпус 5 узла центрального электрода 2, выполненный из магнитного материала, конструкционной стали, сопряжен со стволом 1, укрепляя узел центрального электрода 2 и перекрывая зону размещения плавкой перемычки 3. Длина части перекрывающей зону размещения титановой плавкой перемычки 3 составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной. Соленоид 6 выполнен за одно целое с фланцем 7 и цилиндрической частью 8, в котором размещен корпус 5 узла центрального электрода 2 и укреплен резьбовой заглушкой 9. Соленоид 6 укреплен прочным стеклопластиковым корпусом 10 и стянут мощными токопроводящими шпильками 11 между фланцем 7 и стеклопластиковым упорным кольцом 12. Токопроводящие шпильки 11 электрически соединены токопроводящим кольцом 13, а к токопроводящим шпилькам 11 присоединен шинопровод 14 внешней схемы электропитания. Второй шинопровод 15 схемы электропитания присоединен к центральному электроду 2. К шинопроводу 15 последовательно присоединены ключ 16 и конденсаторная батарея 17, связанная с шинопроводом 14. На торцевую часть титанового ствола 1 установлена цилиндрическая вставка 18 из стали Ст.3, длиной 15-20 мм и толщиной 3-5 мм.

Работа устройства заключается в следующем. При замыкании ключа 16 в контуре электропитания ускорителя начинает протекать ток от конденсаторной батареи 17, по шинопроводу 14, токопроводящему кольцу 13, шпилькам 11, фланцу 7, виткам соленоида 6, корпусу 5, стволу 1, плавкой перемычке 3, центральному электроду 2, шинопроводу 15, через ключ 16 и к конденсатору 17. При достижении нарастающим током I(t) некоторого уровня плавкая перемычка 3 взрывается с образованием сильноточного дугового разряда, начальная форма плазменной структуры которого задается конфигурацией и расположением проволочек плавкой перемычки 3, а также наличием цилиндрического канала в изоляторе 4 центрального электрода 2. Плазма сильноточного разряда сжимается магнитным полем собственного тока, магнитным полем соленоида и приобретает грибообразную форму. В устройстве конусообразная часть корпуса 5 узла центрального электрода 2 перекрывает зону размещения плавкой перемычки 3 и формирования плазменной структуры, экранирует эту зону в течение некоторого времени и исключает вращение грибообразной плазменной перемычки, уменьшая эрозию ствола на его начальном участке. Цилиндрическая вставка 18 создает ступенчатое изменение толщины стенки ствола, создает "магнитную пробку" движению плазмы сильноточного дугового разряда, выравнивает эрозионный износ ствола и тем самым позволяет эффективно использовать расходный материал - ствол ускорителя.

Предложенное устройство испытали в следующих условиях: зарядное напряжение Uзар=4,0 кВ; емкость конденсаторной батареи С=18 мФ; длина соленоида ℓc=150 мм; диаметр ускорительного канала ℓук=21 мм; материал ствола, центрального электрода и плавкой перемычки - титан ВТ-1.

Результаты испытаний прототипа (№1) и предложенного (№2-6) ускорителей приведены в табл.1. Как видно из приведенной таблицы и зависимостей на фиг.2 (номера эпюр соответствуют номерам опытов), значение коэффициента заполнения электроэрозионного износа ускорительного канала Сук титанового ствола по его длине при испытаниях предложенного ускорителя увеличилось до 90%, и тем самым обеспечивается выравнивание электроэрозионного износа ускорительного канала титанового ствола.

Таблица 1
Результаты испытаний коаксиального магнитоплазменного ускорителя
Параметры Ед. изм. № опыта
1 2 3 4 5 6
Длина ускорительного канала. ℓук мм 275 150 150 150 150 150
Длина цилиндрической вставки, ℓцв мм - - 10 15 20 25
Толщина цилиндрической вставки, δцв мм - - 3 3 5 5
Максимальное напряжение, Um кВ 1,9 2,0 2,0 1,9 1,9 2,0
Максимальный ток, Im кА 159 141 147 152 156 145
Подведенная энергия, W кДж 88 83 91 84 87 88
Коэффициент заполнения % 53 77 83 89 90 88

1. Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, выполненный в виде коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего титанового ствола, внутри которого размещена плавкая перемычка из титановых проволочек, электрически соединяющая начало ствола и титановый центральный электрод, который присоединен к одной из клемме цепи питания ускорителя, цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода, второй конец соленоида электрически соединен с началом ствола, а вершина центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола, корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки, длина части перекрывающей зону размещения плавкой перемычки составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной, причем ствол ускорителя, центральный электрод и плавкая перемычка выполнены из титана, отличающийся тем, что длина титанового ствола равна длине соленоида, а на торце ствола установлена цилиндрическая стальная вставка длиной 15-20 мм и толщиной 3-5 мм.

2. Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала цилиндрической вставки использована сталь марки Ст.3.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к генерированию нагруженного частицами теплового потока. .

Изобретение относится к СВЧ плазменному реактору и может найти применение при формировании пленки большого размера, соизмеримого по диаметру с длиной СВЧ волны. .

Изобретение относится к системам управления плазмотронов и предназначено для эффективного розжига факела при использовании в качестве топлива высоковязкого или обводненного топочного мазута, а также отработанного моторного масла.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при создании ускорителей плазмы с замкнутым дрейфом электронов. .

Изобретение относится к способу сварки анода с контактом и металлокерамическим изолятором камеры на плазменном фокусе и может найти применение при изготовлении камеры на плазменном фокусе.

Изобретение относится к оборудованию для термического напыления порошкообразных материалов, к интерфейсу сменного сопла для использования с плазменной пушкой для термического напыления.

Изобретение относится к способу плазменно-дуговой сварки металлов и может быть использовано в машиностроении и строительстве, а также для бытовых и хозяйственных нужд.

Изобретение относится к электротехнике и может применяться в устройствах, где требуется с высоким КПД получать искровой разряд с большими током, мощностью и объемом плазмы с высокой удельной проводимостью при относительно небольшом напряжении источника тока и длине искрового зазора.

Изобретение относится к способу обработки термически нестойких материалов холодной плазменной струей и может быть использовано при гидрофилизации/гидрофобизации и повышении адгезионных свойств полимеров, текстиля, бумаги и других материалов.

Изобретение относится к способу и устройству для получения покрытий. .

Изобретение относится к плазменной технике, а именно, к трансформаторным плазмотронам низкотемпературной плазмы, использующейся в плазмохимии и металлургии для плазменной обработки газообразных продуктов и дисперсных материалов

Изобретение относится к области инерционного термоядерного синтеза и плазменной техники и может быть использовано для создания источников проникающих излучений

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам светотерапии

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к системам подачи рабочего тела, и может быть использовано в пневматических трактах доставки рабочего тела (РТ) плазменным ускорителям, а также в технологических источниках плазмы, применяемых для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме

Изобретение относится к устройству плазмохимического реактора, предназначенного для обработки минеральных руд перед флотацией, восстановления из окислов металлов (молибдена, свинца, олова) чистого металла, а также для освобождения сульфидных минералов от серы

Изобретение относится к области дуговой сварки плавлением, в частности к способам наплавки изделий порошкообразным присадочным материалом с использованием плазменной дуги прямого действия

Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться при разработке плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения, применяемых в качестве электрореактивных двигателей, а также в составе технологических плазменных установок

Изобретение относится к плазменным источникам медицинских установок, преимущественно для обеззараживания ран

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для получения электронных пучков или пучков рентгеновских лучей для внутритканевой и интраоперационной лучевой терапии
Наверх