Патент на изобретение №2295205

(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАЗМЕННОГО СЛОЯ В ПЛАЗМЕННЫХ УСТАНОВКАХ КОАКСИАЛЬНОГО ТИПА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в электрофизических установках для получения мощных электромагнитных импульсов. В предлагаемом способе разделяют аксиальный поток плазмы на совокупность цилиндрических плазменных слоев, выводимых радиально в межэлектродное пространство для формирования плазменного слоя. В предлагаемом устройстве система формирования плазменного слоя образована последовательностью как минимум двух осесимметричных отражающих элементов, установленных в полости внутреннего электрода на пути распространения потока плазмы со смещением вдоль оси камеры, обеспечивающим возможность поперечного перекрытия потока плазмы на различных радиусах его сечения и отклонения потока в радиальном направлении. Кроме того, отражающие элементы плазменной установки могут иметь поверхность тела вращения. В плазменной установке в зоне формирования плазменного слоя в межэлектродном промежутке может быть установлен дополнительный цилиндрический электрод, коаксиальный внутреннему и внешнему электродам и электрически связанный с внешним электродом. Этот дополнительный электрод может быть выполнен тонкостенным и образующим с внешним электродом кольцевую полость, ограниченную в поперечном сечении камеры проводящими кольцами. Дополнительный электрод может представлять собой металлическую сетку. Технический результат заявленного изобретения состоит в повышении качества формируемого плазменного слоя с точки зрения распределения плотности плазмы в нем и геометрии слоя. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 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 формирования плазменного слоя в плазменной установке коаксиального типа – плазменном прерывателе тока (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 в полости внутреннего электрода вакуумной камеры (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 плазменного слоя.

Известна плазменная установка – 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), построенный 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. Конструкция имеет ряд недостатков. Источник плазмы установлен внутри центрального электрода, что накладывает ограничения на геометрический размер внутреннего проводника и затрудняет доступ к источнику. Система питания плазменного источника при данной компоновке громоздка и требует электрической изоляции. Кроме того, при инициировании электрического пробоя между электродами источника плазмы возможно образование несимметричного плазменного слоя, что приводит к неоднородности формирующегося слоя.

Известен способ формирования плазменного слоя в плазменном прерывателе тока, выбранный за прототип (В.Г.Корнилов, В.И.Челпанов и др. Инверсный плазменный прерыватель тока. Письма в ЖТФ, т.31, вып.7, стр.92-94, 2005). Способ заключается в инжекции потока плазмы в вакуумную камеру вдоль ее оси и формировании плазменного слоя путем преобразования аксиальной скорости плазменного потока в радиальную. Способ позволяет преобразовывать аксиальный поток плазмы, генерируемой за пределами вакуумной камеры, в радиальный и получать плазменный слой между электродами камеры в форме диска. Конструктивные ограничения в данной системе, связанные с размещением источника плазмы, снимаются. Плазменный дисковый слой при таком способе формирования получается более азимутально однородным, чем в аналоге. Недостаток состоит в том, что способ формирования плазменного слоя, выбранный за прототип, не позволяет формировать дисковый плазменный слой с заданной аксиальной длиной (толщиной слоя), не дает возможность варьировать эту толщину в зависимости от требований эксперимента, а также задавать нужное аксиальное распределение плотности плазмы в формируемом слое. Недостаток связан с тем, что в прототипе используется один формирующий плазменный слой отражающий элемент, воспринимающий лобовое воздействие всего потока плазмы. В результате отражения всего падающего потока плазмы от элемента формируемый дисковый плазменный слой получается тонким, не строго радиальным в силу обтекания отражающего элемента отраженным потоком плазмы, не варьируемым по толщине, с неопределенным распределением плотности. Это приводит к ограничению рабочего тока через плазменный слой, например, в ППТ и ухудшению качества обрыва тока в ППТ.

Известна плазменная установка – ППТ (прототип) (В.Г.Корнилов, В.И.Челпанов и др. Инверсный плазменный прерыватель тока. Письма в ЖТФ, т.31, вып.7, стр.92-94, 2005 г.), представляющий собой содержащий образующие вакуумную камеру полые внешний и внутренний электроды, электрически соединенные с источником энергии, источник плазмы, обеспечивающий инжекцию плазмы вдоль оси камеры, и систему формирования плазменного слоя в межэлектродном промежутке камеры. Причем полость внутреннего электрода сообщается с полостью межэлектродного промежутка в области формирования плазменного слоя, чтобы вывести его радиально в межэлектродный промежуток. Системой формирования в устройстве служит установленный внутри полого центрального электрода осесимметричный отражающий элемент, выполненный, например, в форме конуса. Недостатки ППТ состоят в том, что в межэлектродном промежутке формируется плазменный дисковый слой, ограниченный по толщине, с недостаточно резкими границами, не строго радиальной формы (например, конусообразной формы), с неконтролируемым аксиальным распределением плотности плазмы в нем. Вывод о качестве слоя можно сделать по ухудшению качества работы ППТ, а именно ограничению рабочего тока, уменьшению скорости обрыва тока в фазе размыкания и, как следствие, уменьшению генерируемого напряжения и передаваемого в нагрузку тока.

Задача обусловлена необходимостью улучшения качества работы плазменных установок коаксиального типа, в частности ППТ, с точки зрения формируемого в них плазменного слоя, что является актуальным при изучении возможностей электрофизических установок для получения мощных электромагнитных импульсов с длительностью импульса в несколько десятков наносекунд, рентгеновского излучения и т.д.

Технический результат способа состоит в повышении качества формируемого плазменного слоя с точки зрения распределения плотности плазмы в нем и геометрии слоя.

Технический результат устройства для его осуществления состоит в формировании дискового плазменного слоя, более качественного по сравнению с прототипом, а именно характеризующегося геометрически более правильной дисковой формой, заданной экспериментатором аксиальной толщиной плазменного слоя, возможностью задания аксиального распределения плотности плазмы в формируемом слое.

Технический результат для способа достигается за счет того, что в отличие от известного способа формирования плазменного слоя в плазменных установках коаксиального типа, включающего инжекцию потока плазмы в вакуумную камеру установки вдоль ее оси, формирование плазменного слоя в межэлектродном пространстве вакуумной камеры путем преобразования аксиальной скорости потока плазмы в радиальную, в предлагаемом способе при преобразовании разделяют аксиальный поток плазмы на отдельные цилиндрические плазменные слои и выводят их радиально в межэлектродное пространство для формирования плазменного слоя.

Технический результат для устройства достигается за счет того, что в отличие от известной плазменной установки (ППТ), содержащей образующие вакуумную камеру полые коаксиальные внешний и внутренний электроды, электрически соединенные с источником энергии, источник плазмы, обеспечивающий инжекцию плазмы вдоль оси камеры, и систему формирования плазменного слоя в межэлектродном промежутке камеры, содержащую отражающий элемент, причем в области формирования плазменного слоя организовано сообщение полости внутреннего электрода с полостью межэлектродного промежутка, в предлагаемом устройстве система формирования плазменного слоя образована последовательностью как минимум двух осесимметричных отражающих элементов, установленных в полости внутреннего электрода на пути распространения потока плазмы со смещением вдоль оси камеры, обеспечивающим возможность поперечного перекрытия потока плазмы на различных радиусах его сечения и отклонения потока в радиальном направлении.

Кроме того, отражающие элементы плазменной установки могут иметь поверхность тела вращения.

Сообщение полости внутреннего электрода с полостью межэлектродного промежутка в плазменной установке может быть организовано путем выполнения сквозных отверстий на боковой поверхности полого внутреннего электрода в зоне вывода радиального потока плазмы.

В плазменной установке в зоне формирования плазменного слоя в межэлектродном промежутке может быть установлен дополнительный цилиндрический электрод, коаксиальный внутреннему и внешнему электродам и электрически связанный с внешним электродом.

Этот дополнительный электрод может быть выполнен тонкостенным и образующим с внешним электродом кольцевую полость, ограниченную в поперечном сечении камеры проводящими кольцами.

Дополнительный электрод может представлять собой металлическую сетку.

Суть способа состоит в том, что в процессе преобразования аксиальной скорости потока плазмы в радиальную сначала разделяют аксиальный поток плазмы на совокупность цилиндрических плазменных слоев заданной (малой) толщины и после этого выводят последовательность этих плазменных слоев в область межэлектродного промежутка, где и формируют требуемый радиальный плазменный слой с улучшенными параметрами (геометрия определена, плотность задана). Разделение потока плазмы в последовательность тонких цилиндрических слоев приводит к тому, что до выхода в межэлектродный промежуток поток плазмы уже в полости внутреннего электрода структурируется в радиальном направлении. Причем подходы, обеспечивающие это структурирование, могут быть различными, в том числе и основанными на принципе отражения частиц от элементов, расположенных на пути потока плазмы. Задавая количество, геометрию и плотность последовательности слоев в пределах внутреннего электрода, реализуют дисковый слой с заданными параметрами в межэлектродном промежутке.

Сущность устройства поясняется следующим образом. Отраженные от каждого элемента из последовательности отражающих элементов заявляемого вида, установленных со смещением вдоль оси вакуумной камеры, частицы плазмы испытывают меньшее количество соударений со стороны налетающего потока. В этом случае толщина слоя плазмы падающего на каждый элемент последовательности отклоняющих элементов мала и, следовательно, время взаимодействия отраженных частиц с налетающим потоком до момента их выхода из полости внутреннего электрода в межэлектродный промежуток меньше, чем при их прохождении через толстый слой плазмы (лобовое столкновение и отражение всего потока плазмы от одного отражающего элемента, что характерно для прототипа). Следовательно, в заявляемом случае частица меньше отклоняется от направления, которое она получила при отражении от отклоняющего элемента и геометрически слой имеет форму, близкую к идеальному диску. Кроме того, поскольку отражающие элементы с различными внутренними радиусами (перекрывают поток плазмы на различных радиусах его сечения) расположены со смещением вдоль оси камеры на пути распространения потока плазмы, отраженные от них в радиальном направлении плазменные слои выходят в межэлектродный промежуток с аксиальным смещением друг относительно друга. В межэлектродном промежутке эти слои сливаются друг с другом за счет некоторого углового расхождения потока плазмы в слоях при отражении от формирующих элементов и образуют дисковый плазменный слой заданной толщины. То есть, последовательно расположенные отражающие элементы с учетом их количества позволяют формировать радиально направленный дисковый слой с заданной толщиной и дают возможность задавать распределение плотности плазмы в формируемом слое. Выбор внутренних диаметров колец позволяет изменять плотность плазмы в слоях, выводимых в вакуумную камеру. Выбор полной длины системы колец позволяет менять толщину формируемого плазменного диска.

Использование профилированных колец позволяет улучшить формирование в области, прилегающей к формирующей системе, путем исключения зон затенения, возникающих при использовании, например, в качестве отражающих элементов плоских (дисковых) колец.

Отверстия в боковой поверхности полого внутреннего электрода служат для вывода радиального потока плазмы из области формирующей системы, установленной в полости внутреннего электрода, в межэлектродный промежуток. Сквозные отверстия могут иметь любую форму, например круглую, в виде пазов и т.д. Изменяя геометрическую прозрачность внутреннего электрода, определяемую количеством и размерами отверстий, можно регулировать плотность и однородность плазмы в формируемом в межэлектродном зазоре дисковом слое.

Установка дополнительного цилиндрического электрода, коаксиального внутреннему и внешнему электродам камеры, так называемой анодной вставки, в зоне формирования плазменного слоя позволяет изменять межэлектродный промежуток установки и управлять режимом ее работы и параметрами формируемого установкой импульса напряжения и тока, передаваемого в нагрузку.

Дополнительный электрод может быть тонкостенным для уменьшения массогабаритных характеристик установки.

Использование в качестве дополнительного электрода металлической сетки позволяет улучшить геометрию формируемого дискового слоя в межэлектродном промежутке, т.к. радиальный поток плазмы при падении на сетчатый электрод с хорошей геометрической прозрачностью не отражается от поверхности электрода в область межэлектродного зазора, а проходит в полость между дополнительным и внешним электродами. При этом сформированный дисковый слой не размывается и не изменяет геометрическую форму за счет отраженной от электрода плазмы, что приводит к улучшению качества работы ППТ.

Таким образом, получен плазменный слой с заданной толщиной и распределением плотности плазмы в аксиальном направлении. Это дает возможность, например, в такой плазменной установке, как ППТ реализовывать высокую скорость обрыва тока в фазе размыкания.

На чертеже изображено устройство, реализующее способ: 1 – внешний электрод вакуумной камеры; 2 – внутренний электрод вакуумной камеры; 3 – сквозные отверстия в форме пазов на внутреннем электроде; 4 – осесимметричные отражающие элементы; 5 – формируемый плазменный слой; 6 – аксиальный плазменный поток; 7 – плазмовод; 8 – плазменный инжектор; 9 – источник тока плазменного инжектора; 10 – источник энергии; 11 – дополнительный металлический сетчатый электрод; 12 – металлические кольца, образующие кольцевую полость с внешним электродом и дополнительным электродом; а, b, с, d – цилиндрические поверхности, bc, cd, dd – цилиндрические слои плазмы, выводимые в межэлектродный промежуток вакуумной камеры с помощью соответствующих отражающих элементов 4.

В примере конкретного выполнения внешним электродом (1) вакуумной камеры является металлический цилиндр внутренним диаметром 240 мм, длиной 500 мм плазменный инжектор(8), установленный в торце камеры вдоль ее оси, – коаксиальный газоплазменный инжектор, генерирующий цилиндрический плазменный поток с плотностью плазмы 10¹⁵…10¹⁶ см^-3, плазмообразующий газ – азот. Плазмовод (7) – металлический цилиндр с внутренним диаметром 40 мм входит в полый внутренний электрод (2) камеры, представляющий собой металлический цилиндр с внешним диаметром 65 мм и с внутренним диаметром 55 мм, длиной 100 мм. В стенках внутреннего электрода выполнены пазы (3) (сквозные отверстия) шириной 10 мм, длиной 40 мм, с шагом 13 мм. В полости внутреннего электрода установлены три осесимметричных отражающих элемента (4) в виде профилированных металлических колец с поверхностью тела вращения. Расстояние между кольцами 13 мм, внутренние диаметры колец (на различных радиусах сечения потока плазмы) – 40 мм, 31.5 мм. Последним отражающим элементом является диск с конусной частью в центральной области. Дополнительный электрод (11), коаксиальный внешнему и внутреннему электроду, выполнен из латунной сетки с прозрачностью 60%. Он ограничен в поперечном сечении камеры проводящими (металлическими) кольцами (12) и образует с внешним электродом кольцевую полость. Длина цилиндрической части 60 мм, межэлектродный зазор 35 мм.

Работа устройства, иллюстрирующая заявляемый способ, состоит в следующем. Включают источник импульсного клапана напуска газа в область плазменного инжектора. После некоторой задержки включают источник тока (9) коаксиального газоплазменного инжектора (8). Импульсный плазменный поток, распространяясь по плазмоводу (7) и далее по внутреннему электроду (2) в виде аксиального плазменного потока (6), достигает формирующей системы, образованной элементами (4). Поскольку внутренние диаметры элементов различны, падающий поток разделяется на цилиндрические слои bc, cd, dd и отклоняется в радиальном направлении с формированием последовательности поперечных кольцевых слоев, выводимых в межэлектродный промежуток вакуумной камеры сформированным плазменным слоем (5) в форме диска с аксиальным размером, определяемым крайними кольцами последовательности отражающих элементов (4) и/или длиной пазов (3). Далее через плазменный слой (5) от источника энергии (10) пропускается ток, который при достижении им критического значения “рвется,” т.е. резко уменьшается из-за роста сопротивления плазмы, что означает срабатывание ППТ. Толщина сформированного плазменного дискового слоя равна 40 мм, при этом распределение плотности по толщине слоя стало более однородным.

Эффективность выбранного способа формирования плазменного способа в устройстве, описанном выше, проверялась на индуктивном генераторе с плазменным прерывателем тока. Использование описанной системы для формирования плазменного слоя ППТ привело к значительному улучшению основных свойств ППТ: критический ток (максимальный ток в фазе проводимости) увеличился на 20%, крутизна спада тока и ЭДС, генерируемая устройством, более чем в 5 раз, глубина спада тока, определяющая возможность передачи энергии в нагрузку, до 1,5 раз. Это свидетельствует о повышении качества сформированного слоя плазмы. То есть выбор внутренних диаметров колец последовательности отражающих элементов позволяет изменять плотность плазмы в слоях, выводимых в вакуумную камеру. Выбор полной длины системы колец позволяет менять толщину формируемого плазменного диска, а полный набор параметров элементов формирующей системы позволяет улучшить преобразование аксиального потока в радиальный, варьируя толщину формируемого плазменного диска, величину плотности плазмы и ее аксиальное распределение.

Таким образом, заявляемые способ формирования плазменного слоя и плазменная установка, его реализующая, позволяют посредством особенностей системы формирования слоя плазмы, в частности с использованием последовательности отражающих элементов с определенными параметрами, трансформировать аксиальный слой плазмы в радиальный путем преобразования его в последовательность плазменных слоев в полости внутреннего электрода с последующим выведением их в межэлектродный промежуток, что обеспечит формирование более качественного, чем в прототипе, плазменного слоя требуемой геометрии и распределения плотности плазмы.

Формула изобретения

1. Способ формирования плазменного слоя в плазменных установках коаксиального типа, включающий инжекцию потока плазмы в вакуумную камеру установки вдоль ее оси, формирование плазменного слоя в межэлектродном пространстве вакуумной камеры путем преобразования аксиальной скорости потока плазмы в радиальную, отличающийся тем, что при преобразовании разделяют аксиальный поток плазмы на совокупность цилиндрических плазменных слоев, выводимых радиально в межэлектродное пространство для формирования плазменного слоя.

2. Плазменная установка, содержащая образующие вакуумную камеру полые коаксиальные внешний и внутренний электроды, электрически соединенные с источником энергии, источник плазмы, обеспечивающий инжекцию плазмы вдоль оси камеры, и систему формирования плазменного слоя в межэлектродном промежутке камеры, содержащую отражающий элемент, причем в области формирования плазменного слоя организовано сообщение полости внутреннего электрода с полостью межэлектродного промежутка, отличающаяся тем, что система формирования плазменного слоя образована последовательностью как минимум двух осесимметричных отражающих элементов, установленных в полости внутреннего электрода на пути распространения потока плазмы со смещением вдоль оси камеры, обеспечивающим возможность поперечного перекрытия потока плазмы на различных радиусах его сечения и отклонения потока в радиальном направлении.

3. Плазменная установка по п.2, отличающаяся тем, что отражающие элементы имеют поверхность тела вращения.

4. Плазменная установка по п.2, отличающаяся тем, что на боковой поверхности полого внутреннего электрода в зоне вывода радиального потока плазмы выполнены сквозные отверстия.

5. Плазменная установка по п.2, отличающаяся тем, что в зоне формирования плазменного слоя в межэлектродном промежутке установлен дополнительный цилиндрический электрод, коаксиальный внутреннему и внешнему электродам и электрически связанный с внешним электродом.

6. Плазменная установка по п.5, отличающаяся тем, что дополнительный электрод выполнен тонкостенным и образует с внешним электродом кольцевую полость, ограниченную в поперечном сечении камеры проводящими кольцами.

7. Плазменная установка по п.6, отличающаяся тем, что дополнительный электрод представляет собой металлическую сетку.

РИСУНКИ