Импульсивный ускоритель в режиме со сплошным наполнением рабочим газом

(51) 05 1/54 (2006.01) 05 15/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ системы коаксиального типа,устройства коммутации высокого напряжения (разрядник) и вакуумной системы. Плазма генерируется при разряде в рабочем газе, находящегося в межэлектродном пространстве. Авторами разработана установка и проведены исследования особенностей генерации плазменного потока,формируемого в импульсном ускорителе с коаксиальной геометрией электродов при его работе в режиме со сплошным наполнением, т.е при постоянном начальном давлении рабочего газа. Ускорение плазмы происходит за счет амперовой силы собственным магнитным полем плазмы. При низком давлении 0,01-0,1 торр ускорение происходит за счет внутри плазменного электрического поля и наличии колебаний большой амплитуды. В результате разработан импульсный плазменный ускоритель с коаксиальной геометрией электродов, работающий в режиме со сплошным наполнением рабочим газом в диапазоне 0,05-5 торр при ускоряющем напряжении 5-25 кВ.(72) Жукешов Ануар Муратович Габдуллина Асылгуль Тулепбергеновна Амренова Асем Уахитовна Молдабеков Жангали Мусырманкулович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Казахский национальный университет имени аль-Фараби Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) ИМПУЛЬСИВНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ В РЕЖИМЕ СО СПЛОШНЫМ НАПОЛНЕНИЕМ РАБОЧИМ ГАЗОМ(57) Изобретение относится к области плазменной техники,более конкретно к импульсным электродинамическим ускорителям плазмы с коаксиальными электродами. Импульсный плазменный ускоритель состоит из электродной Изобретение относится к области плазменной техники,более конкретно к импульсным электродинамическим ускорителям плазмы с коаксиальными электродами. Импульсный плазменный ускоритель состоит из электродной системы коаксиального типа,устройства коммутации высокого напряжения (разрядник) и вакуумной системы. Плазма генерируется в результате разряда в газе, находящемся в межэлектродном пространстве. Ускорение плазмы происходит за счет амперовой силы собственным магнитным полем плазмы. Импульсные плазменные ускорители широко используются в различных отраслях науки как источники высокотемпературных плазменных потоков. Фундаментальное значение имеют исследования формирования,оптимального ускорения импульсных потоков плазмы. Импульсные потоки плазмы также используются при обработке материалов, имеющих широкое применение в новых наукоемких технологиях. Наиболее близким аналогом является импульсный коаксиальный плазменный ускоритель с электродинамическим клапаном (МорозовА.И. Введение в плазмодинамику, М. ФИЗМАТЛИТ,2006 Г. - с.576). Существенно, что газ впрыскивается в межэлектродное пространство под давлением 50150 атм. непосредственно перед подачей высокого напряжения. Вследствие неравномерного распределения газа по длине электродов после впрыска генерируемая при разряде плазма носит существенно неоднородный характер, а ее поведение во многом определяется разницей во времени между моментом впрыска газа и подачи высокого напряжения, которое для разных видов газов составляет порядка 10-100 мкс. Эта операция существенно усложняет процесс генерации плазмы,так как необходимо использовать задержку времени микросекундного диапазона с использованием цепей задержки. Вместе с тем, при использовании сплошного заполнения разряд происходит в газе при постоянном начальном давлении, создаваемом при откачке вакуумной системы, либо путем напуска газа через обычный клапан. При этом нет необходимости использовать импульсный клапан и использовать систему задержки подачи высокого напряжения. Задачей изобретения является разработка нового типа ускорителя, применяемого для получения новых перспективных материалов на основе взаимодействия мощного плазменного потока с поверхностью материалов, и способного работать в различных режимах. Технический результат - импульсный ускоритель плазмы со сплошным наполнением рабочим газом,способный работать в различных режимах. Для достижения технического результата была создана экспериментальная установка, состоящая из собственно ускорителя, системы заземления и защиты, пульта управления, расположенного в отдельном помещении,вакуумной системы,диагностической аппаратуры и коммуникаций. 2 Принципиальная схема импульсного плазменного ускорителя представлена на Фиг.1. Импульсный плазменный ускоритель с коаксиальной системой электродов работает со сплошным наполнением рабочего газа. Принцип действия установки основан на ускорении плазменного сгустка, сформированного в межэлектродном пространстве при электрическом разряде, собственным магнитным полем. Для этого к электродам прикладывается высокое напряжение,а в рабочей камере создается вакуум, достаточный для развития разряда. Основные элементы ускорителя - это лайнер ускорителя с двумя коаксиальными электродами и накопительные конденсаторы. При работе со сплошным наполнением в камеру предварительно напускается газ до давления, при котором происходит его пробой. Электродная система коаксиальной геометрии изготовлена из медных цилиндров с фланцами,разделенными изолятором из оргстекла. Отверстия для напуска газа расположены на внутреннем электроде. Диаметр внешнего электрода 90 мм,внутреннего - 20 мм, длина внешнего и внутреннего электродов - 650 мм и 600 мм соответственно. Диэлектрическая вставка выполнена из оргстекла толщиной 5 см, в котором вырезаны каналы для исключения поверхностного пробоя. Лайнер ускорителя представляет собой трубу из нержавеющей стали диаметром 160 мм и толщиной стенки 2 мм. Накопитель энергии включает конденсаторную батарею общей емкостью 69 мкФ,состоящую из 23 высоковольтных импульсных малоиндуктивных конденсаторов ИК-50-3(напряжение до 50 кВ, емкость 3 мкФ). Диапазон рабочих напряжений ИПУ от 10 до 35 кВ. Управляемый разрядник представляет собой два круглых массивных стальных диска, разделенных изолятором из оргстекла. Для создания вакуума служит отдельный форвакуумный насос. Пробой вакуумного промежутка осуществляется при зажигании инициирующего искрового разряда, для чего по периметру диска установлены три поджигающих электрода. Напряжение для поджига подается от высоковольтных конденсаторов,заряжаемых до 5 кВ. Вакуумная система состоит из форвакуумного и диффузионного насосов. Последовательная работа насосов обеспечивает предельный вакуум в системе до 10-6 Торр. Имеется электромеханический клапан для напуска атмосферы в систему при установке датчиков и других операций. Система заземления включает в себя электромотор, приводящий в движение медные токосъемные шины, балластное сопротивление в виде стаканов с дистиллированной водой и контур заземления. Работа экспериментальной установки происходит в следующей последовательности с пульта управления на зарядное устройство подаются управляющие сигналы, по которым батареи конденсаторов ИПУ заряжаются до напряжения 30 кВ. Затем с использованием генератора синхроимпульсов оператор с пульта управления запускает схемы поджига разрядников и измерительную аппаратуру, далее разрядник цепи электродов, после этого запускается измерительная аппаратура. В межэлектродном зазоре происходит пробой и образовавшийся плазменный сгусток,ускоряясь за счет электродинамических сил,выбрасывается в лайнер ускорителя. С технической точки зрения работа ускорителя в сплошном режиме реализуется проще. В импульсном режиме сначала надо запитать электродинамический клапан, чтобы запустить газ,затем выждать определенное время, чтобы газ успел заполнить межэлектродное пространство, и затем подать напряжение на электроды. Время заполнения газом межэлектродного пространства зависит от природы газа и лежит в диапазоне от 10 до 1000 мкс. Для создания такой задержки используется специальный генератор с задержкой импульсов. Во время эксперимента обнаружены следующие особенности работы ускорителя в сплошном режиме 1. Разрядный ток представляет собой гармонический затухающий сигнал с амплитудой тока до 450 кА, периодом 14 мкс и постоянной затухания порядка 105. Собственная индуктивность разрядного контура и коаксиальной системы равна единицам наногенри, поэтому она не оказывает существенного влияния на процесс ускорения плазмы. 2. При сплошном режиме в межэлектродном пространстве импульсного ускорителя формируется поток плазмы, структура которого зависит от давления рабочего газа. Существеет узкая область значений давления около 0,1 торр, при котором происходит перестройка структуры разряда, так называемая переходная точка. При давлениях ниже этой точки формируется диффузный плазменный поток с высокой скоростью 70 км/с, в то время как при более высоких давлениях формируются компактные сгустки плазмы со скоростью 20 км/с. 3. Установлено, что формирование потоков с различной структурой при давлениях выше и ниже переходной точки соответствует разным механизмам ускорения плазмы. Для компактного потока характерно преобладающее влияние магнитной силы Ампера, в то время как для диффузного преобладает влияние электрического поля,возникающего внутри плазмы при определенной плотности, что приводит к большим колебаниям тока и реализации высоких скоростей. 4. Имеется четко выраженный фокус на расстоянии 2-10 см от торца внешнего электрода, в точке фокуса наблюдается максимальная амплитуда электронного тока. При этом положение точки фокуса зависит от режима работы, а плотность энергии при давлении ниже переходной точки существенно выше. 5. Ускоритель при сплошном режиме способен генерировать плазму в широком диапазоне рабочих давлений от 0,04 до порядка 200 торр, однако при меньших давлениях существует порог около 0,04 Торр, ниже которого пробой газа не происходит. Апробированы режимы работы ускорителя при различных давлениях напуска. Испытания показали,что работа ускорителя в сплошном режиме возможна в достаточно широком диапазоне рабочих давлений (10-3-102 Торр). При этом максимальная плотность энергии, а значит и эффективное ускорение плазменного потока, достигается при давлении порядка 0,1 Торр и составляет 50 Дж/см 2 при напряжении заряда 25 кВ. Авторами разработана установка и проведены исследования особенностей генерации плазменного потока, формируемого в импульсном ускорителе с коаксиальной геометрией электродов при его работе в режиме со сплошным наполнением. Преимущество импульсного ускорителя при работе в режиме со сплошным наполнением состоит в том, что путем регулирования давления возможна реализация различных механизмов ускорения плазмы как электродинамическим способом, так и за счет внутриплазменного электрического поля, что позволяет вариацией одного параметра регулировать важнейшие физические параметры потока, такие как скорость плазмы и плотность энергии, а также в небольших пределах состав плазмы. Пример 1. Торцевой плазменный ускоритель. На нормально работающих торцевых плазменных ускорителях с собственным магнитным полем при разрядным токах около 104 А удается получить стационарные потоки плазмы со скоростями 50 км/с. Торцевые плазменные ускорители становятся неработоспособными не только при больших, но и при малых разрядных токах р. Поскольку сила Ампера пропорциональна 2 р, при 1000 А она в реальных условиях становится меньше, чем газокинетическое давление,и торцевой плазменный ускоритель превращается в обычный плазматрон. Пример 2. В созданных коаксиальных сильноточных плазменных ускорителях (КСПУ) использовались 4-6 ВИКов (входная ионизационная камера). Генерируемые ими потоки плазмы поступали в дрейфовый канал, где растекались по азимуту и подстраивались под изомагнитную конфигурацию, для чего генерировали токовые вихри. В КСПУ была принята двухступенчатая система, когда поступающий в ускоритель газ сначала попадает во входные ионизационные камеры, где он ионизуется и приобретает некую начальную скорость. Наиболее совершенный КСПУ создан совместно ИАЭ, НИИЭФА и ХФТИ(А.И.Морозов, В.И. Терещин с сотр.). Он имел следующие параметры общая длина 1.5 м,диаметры МА около 0,5 м, число АНК -10, ВИК-5,при разрядных токах 0,5 МА (это в режиме ионного токопереноса) и напряжении разряда 10 кВ в течении -0,2 мс. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Импульсный плазменный ускоритель,отличающийся тем, что электроды ускорителя располагаются коаксиально, а сам ускоритель работает в режиме со сплошным наполнением 3 рабочим газом в диапазоне 0,05-5 торр при ускоряющем напряжении до 35 кВ, разрядном токе до 450 кА, регулировка величин физических параметров потока плазмы в широких пределах осуществляется без использования электродинамического клапана. 2. Импульсный плазменный ускоритель по п.1,отличающийся тем, что электроды ускорителя имеют форму цилиндров с фланцами и изготовлены из меди с диаметром внешнего электрода 90 мм,внутреннего-20 мм, длина внешнего и внутреннего электродов равна - 650 мм и 600 мм соответственно. 3. Импульсный плазменный ускоритель по п.1,отличающийся тем, что реализация различных режимов работы и, соответственно, регулировка величин физических параметров потока плазмы в широких пределах осуществляются путем изменения начального давления рабочего газа в разрядной камере. 4. Импульсный плазменный ускоритель по п.1,отличающийся тем, что при работе в сплошном режиме не используется импульсный электродинамический клапан для запуска газа, что существенно упрощает работу системы в целом и повышает точность результатов. 5. Импульсный плазменный ускоритель по п.1,отличающийся тем, что в накопителе энергии использованы высоковольтные импульсные конденсаторы общей емкостью 69 мкФ и рабочим напряжением 50 кВ, соединенные параллельно,разрядный ток до 450 кА, период разряда 14 мкс. 6. Импульсный плазменный ускоритель по п.1,отличающийся тем, что управляемый разрядник представляет собой два круглых массивных стальных диска диаметром 60 см и толщиной 2 см каждый, разделенные изолятором из оргстекла толщиной 5 см, с ребрами защиты от высоковольтного пробоя.