Способ получения плазменного источника светового излучения и устройство для его осуществления



Способ получения плазменного источника светового излучения и устройство для его осуществления
Способ получения плазменного источника светового излучения и устройство для его осуществления

 

H05H1/50 - 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 2602093:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП") (RU)

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к способам и устройствам с излучающей плазмой, и может быть использовано для решения широкого круга технических задач, например при испытаниях приборов и материалов на устойчивость к облучению световым излучением, аналогичным излучению природных и техногенных факторов. Технический результат - расширение функциональных возможностей, обеспечение получения мощных световых излучений, аналогичных по временной форме техногенным и природным световым излучениям, при сохранении высокой надежности их функционирования. В способе получения плазменного источника светового излучения на основе магнитоприжатого дугового разряда эрозионного типа путем формирования в межэлектродном промежутке после установления в нем заданного значения величины магнитного поля непрерывного и импульсного разрядов с временным интервалом между ними новым является то, что при заданном значении величины магнитного поля определяют минимальное напряжение горения дугового разряда и соответствующий этому напряжению ток дугового разряда, величину временного интервала между формированием непрерывного и импульсного разрядов находят из установленного соотношения, последовательность формирования непрерывного и импульсного разрядов определяют по знаку найденного временного интервала: при положительном знаке первым формируют непрерывный разряд, при отрицательном - импульсный разряд, при нулевом значении временного интервала формирование разрядов начинают одновременно, при этом формирование непрерывного разряда осуществляют при напряжении на выходе его источника питания не менее напряжения горения дугового разряда, а суммарный ток импульсного и непрерывного разрядов поддерживают на уровне не менее тока дугового разряда, соответствующего минимальному напряжению горения дугового разряда. Раскрыт также плазменный источник светового излучения, включающий формирователь излучающей плазмы, реализующий способ. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к способам и устройствам с излучающей плазмой, и может быть использовано для решения широкого круга технических задач, где применяется мощное световое излучение, например, при испытаниях приборов и материалов на устойчивость к воздействию светового излучения, аналогичного излучению природных и техногенных факторов, а также для решения технических задач в фотохимии и в световых технологиях обработки материалов.

Для решения указанных задач требуются излучатели с высокой яркостью, определяемой, главным образом, температурой излучающего тела и большой интенсивностью, зависящей в первую очередь от площади свечения излучателя. Наиболее перспективными плазменными источниками светового излучения, удовлетворяющими требованиям решаемой задачи, являются источники на основе стабилизированного магнитным полем сильноточного дугового разряда эрозионного типа, который практически не имеет ограничений на вводимую электрическую мощность и энергию. Площадь светящейся поверхности такого излучателя ограничивается только возможностями применяемых источников питания. Спектр излучения магнитоприжатого дугового разряда близок к спектру излучения абсолютно черного тела, что особенно важно при физическом моделировании мощных световых вспышек техногенного и природного характера. Одним из несомненных преимуществ такого плазменного источника света является возможность работы непосредственно в воздухе при нормальных условиях, что значительно снижает затраты на эксплуатацию установок.

Импульсные плазменные источники светового излучения позволяют при разряде конденсаторной батареи на магнитоприжатый дуговой разряд получать яркую плазму с большой площадью излучающей поверхности в течение практически всего времени разряда емкостного накопителя. Совместное формирование импульсного и управляемого непрерывного разрядов в одном межэлектродном промежутке позволяет моделировать практически любые техногенные световые излучения.

Известен способ получения плазменного источника светового излучения [Пат. РФ №2370002, МПК Н05Н 1/50, приор. 20.10.2008] на основе дугового электрического разряда эрозионного типа, включающий инициирование разряда импульсным источником питания, формирование непрерывного плазменного разряда и пространственно однородного магнитного поля в межэлектродном промежутке, причем инициирование и формирование плазменного разряда осуществляют после установления требуемой величины магнитного поля.

Такой способ с использованием управляемого источника непрерывного питания для формирования плазменного разряда позволяет получать в течение длительного времени яркую плазму с заданным временным профилем излучения, с большой светящейся поверхностью и со сплошным спектром. Однако такой способ недостаточно надежен в начальной стадии формирования разрядного канала. Из-за большой магнитной инерции источника непрерывного питания в этой стадии в начале нарастания тока разряд неустойчив и легко гаснет. При этом на генерируемом импульсе света присутствуют значительные пульсации интенсивности, соответствующие пульсациям разрядного тока, что негативно сказывается на форме генерируемого светового импульса.

Известно устройство для реализации такого способа [Пат. РФ №2370002, МПК Н05Н 1/50, приор. 20.10.2008], включающее источник питания, формирователь излучающей плазмы из разрядного узла и узла создания прижимающего магнитного поля, при этом разрядный узел выполнен в виде лотка из диэлектрического материала с плоским дном, в открытых торцах которого расположены электроды, соединенные между собой инициатором разряда, при этом источник питания разрядного узла выполнен в виде выпрямителя, узел создания прижимающего магнитного поля - в виде электромагнита с сердечником, соединенного с дополнительным источником питания в виде выпрямителя, лоток установлен в зазоре сердечника электромагнита, инициатор разряда снабжен автономным емкостным источником питания. Однако и устройство недостаточно надежно в начальной стадии формирования плазменного разряда. В этой стадии, в начале нарастания тока, разряд неустойчив и легко гаснет.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ получения плазменного источника светового излучения [Пат. РФ №147851, МПК Н05Н 1/50, приор. 28.07.2014] на основе магнитоприжатого дугового электрического разряда эрозионного типа путем формирования в межэлектродном промежутке непрерывного управляемого дугового разряда при установившемся значении величины магнитного поля в межэлектродном промежутке и возбуждения в этом же промежутке импульсного инициирующего разряда, причем возбуждение импульсного разряда задерживают относительно начала формирования непрерывного разряда на фиксированный промежуток времени, величину которого определяют по инерционным параметрам выходной цепи источника формирования непрерывного разряда.

Такой способ обеспечивает надежность реализуемых плазменных источников светового излучения в условиях, когда импульсный разряд используется только как инициирующий, т.е. достаточно короткий по отношению к длительности переходного процесса формирования в межэлектродном промежутке непрерывного управляемого разряда. Однако надежность включения непрерывного управляемого разряда значительно падает при необходимости использования длинного импульсного разряда, когда длительность светового импульса становится соизмеримой или превышает длительность переходного процесса формирования непрерывного управляемого разряда. Невозможность реализации длинных световых импульсов при таком способе формирования излучающей плазмы значительно ограничивает функциональные возможности плазменных источников светового излучения.

Наиболее близким устройством является выбранный нами в качестве прототипа плазменный источник светового излучения [Пат. РФ №147851, МПК Н05Н 1/50, приор. 28.07.2014], включающий управляемый источник питания, управляющий вход которого через блок управления соединен с синхронизатором, а выход - через разделительный диод с потенциальным электродом формирователя излучающей плазмы, другой электрод которого соединен с корпусом, инициатор, выполненный из проводящего материала и соединенный с одним из электродов формирователя излучающей плазмы, емкостной накопитель энергии, выход которого через управляемый ключ соединен с потенциальным электродом формирователя излучающей плазмы, и дополнительный источник питания, причем формирователь плазмы выполнен в виде установленного в зазоре сердечника электромагнита лотка из диэлектрического материала, а выход дополнительного источника питания соединен с обмоткой электромагнита, при этом в него дополнительно введены включенный между выходом управляемого источника питания и корпусом конденсатор и блок задержки, вход которого присоединен к выходу синхронизатора, а выход - к управляющему электроду управляемого ключа, причем величина временной задержки τ блока задержки определена условием:

, где

L - суммарная выходная индуктивность управляемого источника питания, Гн;

С - емкость дополнительного конденсатора, Ф.

Так же, как и в способе, надежность включения непрерывного разряда в устройстве значительно падает при использовании длинного импульсного разряда, когда длительность импульса становится соизмеримой или превышает длительность переходного процесса включения непрерывного разряда. Функциональные возможности формирования непрерывного управляемого разряда таких плазменных источников светового излучения значительно ограничены.

Нами было обосновано и экспериментально подтверждено, что в условиях, когда требуемая длительность светового импульса становится соизмеримой или превышает длительность переходного процесса формирования непрерывного управляемого разряда, используемая в известных решениях временная задержка не обеспечивает достаточной надежности, а при некоторых длительностях вообще приводит к срыву операции формирования непрерывного управляемого разряда. Нами была найдена эмпирическая зависимость величины временной задержки между непрерывным и импульсным разрядами, обеспечивающая высокую надежность формирования непрерывного разряда практически при любых параметрах световых импульсов, а также условия формирования разрядов.

Для решения задачи предложена группа изобретений: способ и устройство получения плазменного источника светового излучения с расширенными функциональными возможностями, обеспечивающими получение мощных световых излучений, аналогичных по временной форме техногенным и природным световым излучениям, при сохранении высокой надежности их функционирования.

Такой технический результат достигается тем, что

- в способе получения плазменного источника светового излучения на основе магнитоприжатого дугового разряда эрозионного типа путем формирования в межэлектродном промежутке после установления в нем заданного значения величины магнитного поля непрерывного и импульсного разрядов с временным интервалом между ними новым является то, что при заданном значении величины магнитного поля определяют минимальное напряжение горения дугового разряда и соответствующий этому напряжению ток дугового разряда, величину временного интервала между формированием непрерывного и импульсного разрядов находят из соотношения

, где:

τ - временной интервал, сек;

L - выходная индуктивность источника питания непрерывного разряда, Гн;

С - емкость на выходе источника питания непрерывного разряда, Ф;

Е - электродвижущая сила источника питания непрерывного разряда, В;

СС - емкость источника питания импульсного разряда, Ф;

RC - дополнительное сопротивление источника питания импульсного разряда, Ом;

UC - напряжение заряда емкости источника питания импульсного разряда, В;

UMIN - минимальное напряжение горения дугового разряда, В;

IMIN - соответствующий напряжению UMIN ток дугового разряда, А,

последовательность формирования непрерывного и импульсного разрядов определяют по знаку найденного временного интервала: при положительном знаке первым формируют непрерывный разряд, при отрицательном - импульсный разряд, при нулевой задержке формирование разрядов начинают одновременно, при этом формирование непрерывного разряда осуществляют при напряжении на его источнике питания не менее напряжения горения дугового разряда, а суммарный ток импульсного и непрерывного разрядов поддерживают на уровне не менее тока дугового разряда, соответствующего минимальному напряжению горения дугового разряда;

- в устройстве, включающем формирователь излучающеей плазмы, выполненный в виде установленного в блоке магнитного поля диэлектрического лотка с электродами и выполненного из проводящего материала и соединенного с одним из электродов формирователя инициатора, источник питания с блоком управления, зашунтированный конденсатором выход источника питания через разделительный диод соединен с потенциальным электродом формирователя, импульсный источник питания, содержащий емкостную формирующую цепь и управляемый ключ, через который выход формирующей цепи соединен с потенциальным электродом формирователя, синхронизатор, первый блок задержки, включенный между выходом синхронизатора и управляющим электродом управляемого ключа, новым является то, что в него дополнительно введен второй блок задержки, включенный между выходом синхронизатора и входом блока управления, при этом первый блок задержки выполнен с временной задержкой, найденной из выражения:

, где:

τ1 - величина временной задержки первого блока задержки, сек;

τ2 - величина временной задержки второго блока задержки, сек;

L - выходная индуктивность источника питания, Гн;

С - емкость на выходе источника питания, Ф;

Е - электродвижущая сила источника питания, В;

СС - емкость импульсного источника питания, Ф;

RC - дополнительное сопротивление импульсного источника питания, Ом;

UC - напряжение заряда емкости импульсного источника питания, В;

UMIN - минимальное напряжение горения дугового разряда, В;

IMIN - соответствующий напряжению UMIN ток дугового разряда, А.

Подходы к решению задачи получения магнитоприжатого дугового разряда эрозионного типа известны.

На чертеже представлена функциональная схема заявленного плазменного источника светового излучения, включающего формирователь 1 излучающей плазмы, блок 2 магнитного поля, диэлектрический лоток 3 с потенциальным электродом 4 и заземленным электродом 5, инициатор 6, соединенный с заземленным электродом 5 формирователя 6 излучающей плазмы, источник 7 питания с блоком 8 управления, конденсатор 9, разделительный диод 10, импульсный источник питания 11 из емкостной формирующей цепи 12 и управляемого ключа 13, синхронизатор 14, первый блок 15 задержки и дополнительный второй блок 16 задержки.

Работа предложенного способа описана на примере работы устройства для его осуществления. Осуществляется предложенный способ следующим образом.

При заданной величине магнитного поля в блоке 2 магнитного поля снимают вольт-амперную характеристику магнитоприжатого дугового разряда в лотке 3 межэлектродного промежутка формирователя 1 излучающей плазмы, и находят минимальное значение напряжения горения дугового электрического разряда UMIN и соответствующее этому напряжению значение тока дугового электрического разряда IMIN. В соответствии с заданными характеристиками светового импульса выбирают параметры импульсного источника 11 питания: величину емкости СС емкостной формирующей цепи 12, ее зарядное напряжение UC и величину дополнительного сопротивления RC емкостной формирующей цепи 12. Принципы выбора указанных параметров емкостной формирующей цепи 12 известны.

Поскольку разряд емкостной формирующей цепи 12 через управляемый ключ 13 на стабилизированный магнитным полем дуговой разряд обычно обрывается еще до полного снятия зарядного напряжения с емкостной формирующей цепи 12, длительность τИ такого импульсного тока зависит как от величины перечисленных выше параметров разрядного контура импульсного источника 11 питания, так и от параметров самого дугового разряда: минимального напряжения горения дугового разряда UMIN и соответствующего этому напряжению значения тока дугового разряда IMIN. Эти параметры дугового разряда определяются геометрическими параметрами разрядного промежутка, величиной прижимающего магнитного поля, создаваемого в блоке 2 магнитного поля, и материалом лотка 3 формирователя 1 излучающей плазмы. При принятии ряда упрощающих допущений это время приблизительно можно оценить как

Известно, что до формирования в межэлектродном промежутке лотка 3 формирователя 1 излучающей плазмы управляемого непрерывного разряда обязательно существует переходный процесс, длительность которого не превышает величины , где L и С - величина выходной индуктивности источника 7 питания непрерывного разряда и емкость конденсатора 9. Т.е. имеется неустранимая задержка между моментом включения источника 7 питания непрерывного разряда и формированием непрерывного плазменного разряда в формирователе 1 излучающей плазмы, зависящая как минимум от параметров источника 7 питания: L и С.

Нами обосновано и экспериментально подтверждено, что высокая вероятность формирования и существования непрерывного разряда может быть получена только при выполнении двух условий. Во-первых, напряжение на выходной емкости 9 источника 7 питания непрерывного разряда во время формирования непрерывного разряда должно быть не менее напряжения горения дугового разряда UMIN. И, во-вторых, суммарный ток, складывающийся из тока в выходной индуктивности источника 7 питания непрерывного разряда и тока импульсного источника 11 питания, к моменту начала формирования непрерывного разряда в формирователе 1 излучающей плазмы и в течение всего времени его существования должен быть не менее тока IMIN. Эти в комплексе необходимые и достаточные условия включения и нормального горения непрерывного дугового разряда не могут быть реализованы только соответствующим выбором параметров источников 7 и 11 питания. Для их реализации еще необходимо обеспечить согласование времен совпадения на нагрузке напряжений обоих источников 7 и 11 питания при достаточной величине их суммарного тока. Последнее достигается выбором правильных времен начала формирования разрядов относительно друг друга.

Вблизи момента времени окончания импульсного разряда напряжение между электродами 4 и 5 формирователя 1 излучающей плазмы близко к значению минимального напряжения горения дугового разряда UMIN. Известно, что при включении источника 7 питания напряжение на конденсаторе 9 при отсутствии нагрузки изменяется во времени по косинусоидальному закону. Учитывая величину электродвижущей силы Е источника 7 питания непрерывного разряда и пренебрегая активными потерями в его выходной цепи длительность переходного процесса включения источника 7 питания непрерывного разряда τН, при котором достигается требуемое выходное напряжение, можно оценить как

Интервал времени между моментом включения источника 7 питания непрерывного разряда и моментом включения импульсного источника 11 питания импульсного разряда, при котором выполняются требуемые условия, может быть оценен как разность двух указанных выше временных интервалов: τ=τНИ, если считать, что первым формируют непрерывный разряд. Выполненные нами расчеты и экспериментальные исследования показали, что указанный выше технический эффект изобретения достигается, если величину этого временного интервала выбирают в соответствии с найденным нами эмпирическим выражением

В приведенном выражении значение логарифма отрицательное. Поэтому при больших длительностях светового импульса найденный таким образом временной интервал тоже может стать отрицательным. В этом случае первым формируют не непрерывный, а импульсный разряд включением источника 11 питания до включения источника 7 питания непрерывного разряда. В случае равенства найденного временного интервала нулю формирование обоих разрядов необходимо начинать одновременно.

Благодаря обеспечению в предложенном техническом решении напряжения на нагрузке не ниже напряжения горения дугового разряда UMIN, поддержанию общего тока обоих источников 7 и 11 формирования разряда не менее уровня IMIN и выбору величины временного интервала между формированием непрерывного и импульсного разрядов в зависимости от комплекса параметров совместно работающих источников 7 и 11 питания и параметров магнитоприжатого дугового разряда обеспечивается возможность реализации импульса светового излучения практически любой амплитуды и длительности при сохранении высокой вероятности устойчивого формирования непрерывной фазы светового излучения. Это и обеспечивает достижение заявленного технического эффекта - расширение функциональных возможностей.

Подготовка к работе описываемого варианта плазменного источника светового излучения после определения величины и знака временного интервала между моментом включения источника 7 питания непрерывного разряда и моментом включения импульсного источника 11 питания импульсного разряда начинается с ввода в память блока 8 управления непрерывным источником 7 питания временной формы управляющего напряжения, соответствующей временной форме непрерывной фазы генерируемого светового излучения. Первый блок 15 задержки настраивается на задержку в соответствии с выражением

τ1 - устанавливаемое в блоке 15 задержки значение задержки,

τ2 - значение фиксированной задержки, которая обеспечивается дополнительным блоком 16 задержки,

τ - величина найденного временного интервала между моментом включения источника 7 питания непрерывного разряда и моментом включения импульсного источника 11 питания импульсного разряда. Благодаря такому выбору временной задержки в блоке 15 задержки величина задержки включения управляемого ключа 13 импульсного источника 11 питания относительно сигнала синхронизатора 14 всегда будет величиной положительной до тех пор, пока отрицательная величина найденного временного интервала τ по абсолютной величине не превысит значение фиксированной задержки дополнительного блока 16 задержки. При этом порядок включения и величина найденного временного интервала между моментом включения источника 7 питания непрерывного разряда и моментом включения импульсного источника 11 питания импульсного разряда будут полностью соответствовать отличительным требованиям предложенного способа.

Завершается подготовка устройства к работе зарядом конденсатора емкостной формирующей цепи 12 импульсного источника 11 питания до заданного напряжения UC и формированием в межэлектродном промежутке лотка 3 формирователя 1 излучающей плазмы заданного магнитного поля блоком магнитного поля 2.

Запуск устройства производится включением синхронизатора 14 и появлением на его выходе запускающего сигнала. Этот сигнал поступает на входы обоих блоков 15 и 16 задержек. Прошедший через блок 16 задержки запускающий сигнал поступает на вход блока 8 управления. Блок 8 управления начинает выдавать на управляющий вход источника 7 питания управляющее напряжение, предварительно записанное в памяти блока 8 управления. Источник 7 питания непрерывного разряда включается, и начинается переходный процесс установления выходного напряжения непрерывного источника 7 питания на конденсаторе 9. При этом возможны два варианта работы устройства. Если на выходе блока 15 задержки еще не появился запускающий сигнал, то в это время нагрузка источника 7 питания отсутствует из-за отсутствия дугового разряда в формирователе 1 излучающей плазмы. Если же к этому моменту времени на управляющий электрод 13 уже поступил запускающий импульс и дуговой разряд уже инициирован, то нагрузка источника 7 питания по-прежнему отсутствует. Однако, уже по другой причине: из-за непропускания тока источника 7 питания разделительным диодом 10 при горящем дуговом разряде в межэлектродном промежутке формирователя 1 излучающей плазмы. В обоих режимах в выходной индуктивности источника 7 питания непрерывного разряда появляется и нарастает ток заряда конденсатора 9.

Прошедший по другому каналу через блок 15 задержки запускающий сигнал синхронизатора 14 поступает на управляющий электрод управляемого ключа 13. Включением управляемого ключа 13 напряжение емкостной формирующей цепи 12 импульсного источника 11 питания прикладывается к потенциальному электроду 4 формирователя 1 излучающей плазмы. При этом в межэлектродном пространстве формирователя 1 излучающей плазмы пробивается зазор инициатора 6 в лотке 3 формирователя 1 излучающей плазмы и по инициатору 6 с электрода 4 на заземленный электрод 5 начинает протекать электрический ток. В начале процесса этот ток ограничивается только индуктивностью разрядного контура источника 11 питания. Инициатор 6 взрывается, инициируя в межэлектродном промежутке дуговой разряд. Образовавшийся плазменный канал разогревается под действием джоулева нагрева током емкостной формирующей цепи 12 и прижимается магнитным полем блока 2 магнитного поля к дну лотка 3, т.е. формируется импульсный дуговой разряд, стабилизированный магнитным полем. Продукты возгонки материала дна и стенок лотка 3 непрерывно поступают в канал разряда, разогреваются до плазменного состояния и формируют излучающий слой. В итоге образуется устойчивая в пространстве конфигурация излучающей плазмы. Такое плазменное состояние поддерживается в течение всего времени разряда емкостной формирующей цепи 12 импульсного источника 11 питания.

К моменту окончания импульсного разряда напряжение на межэлектродном промежутке формирователя 1 излучающей плазмы снижается приблизительно до значения, близкого к минимальному напряжению горения дугового разряда UMIN. Выходное напряжение источника 7 питания непрерывного разряда при правильно выбранной задержке в блоке 15 задержки к этому же моменту времени достигает такого же значения, но при существовании в его выходной индуктивности достаточной величины тока для поддержания дугового газового разряда. Достаточность величины тока непрерывного источника 7 питания означает, что суммарный ток этого источника 7 питания и импульсного источника 11 питания в момент равенства напряжений обоих источников питания 7 и 11 не снижаются менее величины тока IMIN. Поскольку в такой ситуации полностью выполняются указанные выше необходимые и достаточные условия для надежного возбуждения и горения непрерывного дугового разряда, то происходит подхват газоразрядной нагрузки источником 7 питания непрерывного разряда. Импульсный разряд при этом не погасает и некоторое время, пока не выровняются напряжения на конденсаторе 9 и на емкости емкостной формирующей цепи 12, дополнительно подпитывает нагрузку совместно с непрерывным разрядом, что и обеспечивает высокую вероятность формирования непрерывного дугового разряда. После подхвата нагрузки интенсивностью света управляют путем управления током источника 7 питания непрерывного разряда из блока 8 управления в соответствии с заложенной в нем временной формой управляющего напряжения.

Таким образом, благодаря тому что в устройстве, реализующем предлагаемый способ, дополнительно введен второй блок 16 задержки, сдвигающий сигнал синхронизатора 14 на входе блока 8 управления, а первый блок 15 задержки выполнен с временной задержкой, учитывающей как величину найденного временного интервала между формированием непрерывного и импульсного разрядов, так и величину задержки дополнительного блока 16 задержки, в устройстве реализуется своевременное и надежное включение непрерывного разряда при практически любых параметрах импульсной формирующей цепи 12, формирующей световой импульс. Тем самым расширяются функциональные возможности плазменного источника светового излучения при сохранении высокой вероятности включения и длительного существования непрерывной стадии светового излучения.

Пример конкретного выполнения.

На предприятии в рамках выполнения договорных работ был изготовлен макет и проведены испытания плазменного источника светового излучения. В качестве источника питания непрерывного плазменного разряда использовался промышленный 3-мегаваттный шестиипульсный тиристорный выпрямитель КТЭУ-4000 со сглаживающим индуктивным реактором типа СРОСз, индуктивность которого составляла величину около 0,5 мГн. Выход тиристорного выпрямителя был зашунтирован конденсатором с емкостью 24 мФ. Формирователь излучающей плазмы был выполнен в виде диэлектрического лотка из фибры с двумя электродами и инициатором из алюминиевой фольги шириной 5-7 мм и толщиной 10-20 мкм с непроводящим участком длиной около 0,5 мм. Формирователь присоединялся к выходу непрерывного источника питания через разделительный диод Д173-2000. Межэлектродный промежуток формирователя излучающей плазмы с размерами 8 см в длину и 2 см в ширину обеспечивал площадь излучения 16 см2. Магнитное поле в области формирования плазменного излучателя света создавалось электромагнитом, который питался от второго тиристорного преобразователя ЭКТ-500 с максимальной мощностью 250 кВт. Индукция магнитного поля, прижимающего канал разряда, в зазоре сердечника электромагнита шириной 5,5 см в течение всего времени работы макета поддерживалась на уровне 1,0 Тл, что обеспечивалось током в обмотках электромагнита на уровне 100 А. В такой низкоомной газоразрядной нагрузке с сопротивлением 50-80 мОм источник питания непрерывного плазменного канала позволял получать разрядный ток в плазме величиной до 6000 А при напряжении до 600 В, что обеспечивало получение яркостной температуры плазмы на уровне 6000К. Формирователь излучающей плазмы в таких режимах мог работать в течение нескольких секунд до существенного изменения своих геометрических и электрических характеристик.

В качестве импульсного источника питания использовался емкостной накопитель энергии из десяти 3-киловольтных конденсаторов К75-100 с емкостью 5,6 мФ каждый и с дополнительным формирующим сопротивлением. Общая емкость емкостного накопителя энергии при последовательном соединении двух секций по 5 параллельно соединенных конденсаторов составляла 14 мФ. При зарядном напряжении 6000 В запасаемая в такой конденсаторной батарее энергия составляла 252 кДж. Формирующее дополнительное сопротивление было выполнено из нихромовой ленты, и величина его сопротивления составляла 90 мОм. В качестве управляемого ключа использовался вакуумный разрядник РВУ-53 на импульсные токи до 500 кА. Все соединения в разрядном контуре выполнялись 25 параллельно соединенными коаксиальными кабелями РК50-11-13, что обеспечило суммарную индуктивность разрядного контура на уровне 1*10-6 Гн.

Реализация синхронизатора, блока управления непрерывным источником питания и обоих блоков задержки осуществлялась программно с использованием персонального компьютера с управляющей платой L-502 предприятия «Л-КАРД». Временная форма выходного напряжения источника непрерывного напряжения записывалась в памяти компьютера.

Для снятия вольт-амперной характеристики разряда и определения минимального напряжения горения дугового разряда и соответствующего ему разрядного тока использовался отдельный разрядный контур из конденсатора К75-100 емкостью 100 мкФ с ограничительным сопротивлением величиной около 1 Ом. Заряженный до напряжения 2500-3000 В конденсатор коммутировался высоковольтным тиристором Т343-200-34 на электроды формирователя излучающей плазмы после установления в межэлектродном промежутке магнитного поля заданной величины. Требуемое магнитное поле с индукцией около 1 Тл обеспечивалось током в обмотках электромагнита на уровне 100А. Процесс установления магнитного поля контролировался по динамике изменения тока в обмотках датчиком тока НАХ-400. При разряде конденсатора контролировались датчиком напряжения CV 2000 напряжение на электродах формирователя излучающей плазмы и датчиком тока HAS-2500 протекающий в разрядном контуре ток. Все указанные датчики работают на основе эффекта Холла. Сигналы с датчиков регистрировались цифровыми осциллографами DSO1002A. Время установления магнитного поля составляло в наших условиях около четверти секунды. Минимальное напряжение на дуговом разряде в описанном выше формирователе излучающей плазмы составляло 250 В при токе 1850 А.

При указанных выше параметрах источников непрерывного и импульсного питания, габаритных размерах формирователя и величине магнитного поля требуемый временной интервал оказался отрицательным и равным - 4,3 мс, что предполагает первоочередное включение импульсного источника питания. Поэтому при фиксированной задержке 10 мс в дополнительном блоке задержки в первом блоке задержки была установлена задержка 5,7 мс.

В серии из 12 пусков магнитоприжатый дуговой разряд при заданной величине магнитного поля и задержке, выбранной в соответствии с найденным эмпирическим выражением, надежно поджигался, подхватывая ток управляемого источника питания в момент, предшествующий моменту окончания импульсного разряда, и устойчиво горел в течение всей заданной длительности светового излучения. При яркостной температуре плазменного источника светового излучения 5500К в видимой области спектра энергетическая светимость достигала 700 Дж/см2, а поверхностная плотность энергии излучения составляла величину на уровне 4·103 Вт/см2. В серии не было зарегистрировано ни одного пуска с погасанием дугового разряда в начальной стадии при указанных параметрах установки. Однако при попытках получить световое излучение такой же формы с увеличенной в два раза величиной индукции магнитного поля формировался только импульсный режим генерации плазмы и, соответственно, светового излучения. Аналогичный режим работы установки наблюдался и при отсутствии магнитного поля.

Таким образом, проведенные испытания макета плазменного источника светового излучения показали, что реализация предложенных технических решений за счет расширения функциональных возможностей создаваемых плазменных источников светового излучения обеспечивает возможность моделирования в широком диапазоне временных форм природных и техногенных источников светового излучения при достаточно высоком качестве моделирующих временных форм генерируемых излучений и высоких мощностях и энергиях моделирующих световых потоков.

1. Способ получения плазменного источника светового излучения на основе магнитоприжатого дугового разряда эрозионного типа путем формирования в межэлектродном промежутке после установления в нем заданного значения величины магнитного поля непрерывного и импульсного разрядов с временным интервалом между ними, отличающийся тем, что при заданном значении величины магнитного поля определяют минимальное напряжение горения дугового разряда и соответствующий этому напряжению ток дугового разряда, величину временного интервала между формированием непрерывного и импульсного разрядов находят из соотношения

τ - временной интервал, сек;
L - выходная индуктивность источника питания непрерывного разряда, Гн;
C - емкость на выходе источника питания непрерывного разряда, Ф;
E - электродвижущая сила источника питания непрерывного разряда, В;
CC - емкость источника питания импульсного разряда, Ф;
RC - дополнительное сопротивление источника питания импульсного разряда, Ом;
UC - напряжение заряда емкости источника питания импульсного разряда, В;
UMIN - минимальное напряжение горения дугового разряда, В;
IMIN - соответствующий напряжению UMIN ток дугового разряда, А,
последовательность формирования непрерывного и импульсного разрядов определяют по знаку найденного временного интервала: при положительном знаке первым формируют непрерывный разряд, при отрицательном - импульсный разряд, при нулевом значении временного интервала формирование разрядов начинают одновременно, при этом формирование непрерывного разряда осуществляют при напряжении на выходе его источника питания не менее напряжения горения дугового разряда, а суммарный ток импульсного и непрерывного разрядов поддерживают на уровне не менее тока дугового разряда, соответствующего минимальному напряжению горения дугового разряда.

2. Плазменный источник светового излучения, включающий формирователь излучающей плазмы, выполненный в виде установленного в магнитном поле диэлектрического лотка с электродами и выполненного из проводящего материала и соединенного с одним из электродов формирователя инициатора, источник питания с блоком управления, зашунтированный конденсатором выход источника питания через разделительный диод соединен с потенциальным электродом формирователя, импульсный источник питания, содержащий емкостную формирующую цепь и управляемый ключ, через который выход формирующей цепи соединен с потенциальным электродом формирователя, синхронизатор, первый блок задержки, включенный между выходом синхронизатора и управляющим электродом управляемого ключа, отличающийся тем, что в него дополнительно введен второй блок задержки, включенный между выходом синхронизатора и входом блока управления, при этом первый блок задержки выполнен с временной задержкой, найденной из выражения

τ1 - величина временной задержки первого блока задержки, сек;
τ2 - величина временной задержки второго блока задержки, сек;
L - выходная индуктивность источника питания, Гн;
C - емкость на выходе источника питания, Ф;
E - электродвижущая сила источника питания, В;
CC - емкость импульсного источника питания, Ф;
RC - дополнительное сопротивление импульсного источника питания, Ом;
UC - напряжение заряда емкости импульсного источника питания, В;
UMIN - минимальное напряжение горения дугового разряда, В;
IMIN - соответствующий напряжению UMIN ток дугового разряда, А.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к газоразрядным источникам плазмы, в частности к ВЧ индукционным (ВЧИ) устройствам, применяемым в составе технологических источников плазмы или ионов, а также в составе ионных двигателей или недвигательных ионных систем типа ионных «пушек» для удаления космического мусора с рабочих орбит.

Изобретение относится к способу изготовления электродов для вакуумных нейтронных трубок (ВНТ) и может быть использовано в ускорительной технике, в геофизическом приборостроении, например в импульсных генераторах нейтронов, предназначенных для исследования скважин методами импульсного нейтронного каротажа.

Изобретение относится к физике плазмы, преимущественно к физике и технике процессов, сопутствующих сверхзвуковому обтеканию тел высокоскоростными потоками плазмы, и может быть использовано, в частности, при моделировании структуры и излучения ударно сжатого слоя потока при движении космических аппаратов, планетных зондов, метеоритов и других космических объектов (КО) в атмосфере Земли на высотах 30-200 км и выше.

Изобретение относится к области генерирования в атмосферном воздухе низкотемпературной плазмы. Способ генерирования модулированного коронного разряда заключается в том, что в разрядном промежутке, образованном анодом и катодом, с резко неоднородным распределением электрического поля как в области анода, так и катода, создают линейный коронный факельный разряд.

Изобретение относится к устройствам для генерации плазмы, конкретно к электроразрядным импульсным источникам ионов плазмы для работы в составе вакуумных нейтронных трубок, и может быть использовано в ускорительной технике или в геофизическом приборостроении, например в импульсных генераторах нейтронов народно-хозяйственного назначения, предназначенных для исследования скважин методами импульсного нейтронного каротажа.

Изобретение относится к области измерений оптическими методами электрофизических параметров плазмы, в том числе плотности электронов и напряженности электрического поля и их распределений Способ измерения пространственного распределения электронной плотности плазмы включает измерение интенсивности излучения плазмы из различных по координате областей межэлектродного промежутка на длине волны, соответствующей спектральной атомарной линии или молекулярной полосе, которую выбирают таким образом, чтобы интенсивность излучения такой линии или полосы преимущественно определялась возбуждением излучающего состояния прямым электронным ударом или быстрыми по сравнению с периодом ВЧ-поля каскадными процессами, с последующим определением пространственного распределения электронной плотности плазмы методом численного моделирования плазмы.

Изобретение может быть применено как импульсный источник нейтронов и рентгеновского излучения. Устройство состоит из импульсного источника питания и газоразрядной камеры с электродами и изотопами водорода.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к электротермической технике. Плазменно-дуговая сталеплавильная печь постоянного тока содержит керамический тигель с ванной металла, вертикальный плазмотрон, установленный в своде печи, и подовый электрод, установленный соосно вертикальному плазмотрону.

Изобретение относится к плазмотронам. Плазмотрон содержит корпус 1, изоляционную втулку 2, сопло 3, электрод 4, размещенный в конической полости 18 электрододержателя 5, завихритель 17 с канавками и газоподводящим каналом 6, направленным в кольцевую конусообразную полость 7, где установлен многоступенчатый газодинамический фильтр 8 (ГДФ), выполненный в виде двух расположенных соосно один за другим дефлекторов - непроницаемый дефлектор 9 и перфорированный дефлектор 10 и трех кольцевых камер - кольцевая цилиндрическая камера 11, кольцевая распределительная камера 12 и кольцевая вихревая камера 13.

Изобретение относится к антенной технике. Плазменная антенна содержит плазменный генератор, формирующий плазменное образование, и первичный источник электромагнитных волн, при этом анод плазменного генератора выполнен в виде конического диффузора, состоящего из корпуса и конической вставки, диэлектрически соединенной с подводящим патрубком, поверхность которого выполнена перфорированной, кроме того, первичный источник радиоволн установлен на оси антенны на расстоянии от точки генерации плазменного образования, где γ=2,8…3,0 - постоянная величина, k - волновое число, b - максимальное расстояние от плазменного генератора до границы области с критической концентрацией электронов, θк - угол между осью антенны и направлением распространения плазмы с максимальной скоростью.
Наверх