УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ КАТОДНОГО ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА

Предлагаемое изобретение относится к способам и устройствам для создания интенсивных потоков металлической плазмы. Такие потоки широко применяются в различных областях техники и научных исследований: для нанесения металлических и композитных покрытий на подложку, в качестве источников заряженных частиц для ионных ускорителей и др. Наиболее широкое применение импульсные вакуумные разряды нашли в качестве вакуумных разрядников, предназначенных для коммутации сильноточных электрических цепей.

Известен вакуумный разрядник /Патент на полезную модель №45052, Н01Т 2/02, 2005 г./, содержащий противостоящие анод и катод, имеющий соосное отверстие, в котором установлена диэлектрическая втулка, выполненная в виде двух соосных цилиндров разного диаметра и с соосным отверстием, в котором установлен поджигающий электрод, имеющий форму цилиндра со шляпкой, периферийный участок нижней торцевой поверхности шляпки поджигающего электрода примыкает к верхней торцевой поверхности диэлектрической втулки, а периферийный участок нижней торцевой поверхности диэлектрической втулки примыкает к поверхности катода, и участок катода, примыкающий к диэлектрической втулке, выполнен из более эрозионно стойкого материала, чем остальная часть катода.

Известен генератор высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом /Патент РФ №2462783, H01J 7/14, 2012 г./, содержащий газоразрядную камеру, в камере предусмотрен газоразрядный промежуток, образованный анодом и полым катодом, при этом катод обращен открытой полостью в сторону изолированного от него анода; источник питания, подключенный к электродам газоразрядной камеры; вакуумную систему, соединенную с камерой, при этом параллельно электродам камеры подключена электрическая нагрузка, в заявляемом генераторе в газоразрядной камере предусмотрен по меньшей мере один дополнительный газоразрядный промежуток, источник питания обеспечивает синхронную подачу разности потенциалов на электроды газоразрядной камеры, а газоразрядные промежутки соединены посредством вакуумных каналов, обеспечивающих возможность транспортировки заряженных частиц из одной газоразрядной камеры в другие.

Известен управляемый вакуумный разрядник /Патент на полезную модель №119948, Н01Т 2/02, 2012 г./, содержащий два дисковых основных электрода, катодный и анодный, и, по меньшей мере, один узел поджига, установленный в отверстии катодного электрода, отличающийся тем, что каждый из основных электродов, катодный и анодный, содержит индуктор, формирующий аксиальное магнитное поле, а каждый узел поджига установлен на катодном электроде в месте с меньшей плотностью тока электрической дуги.

Известен управляемый вакуумный разрядник /Патент на полезную модель №121964, Н01Т 2/02, 2012 г./, содержащий два основных электрода, один из которых катод, а другой - анод, управляющий электрод и размещенную между одним из основных электродов и управляющим электродом диэлектрическую вставку, два основных электрода содержат несколько кольцевых металлических вставок с радиусом, превышающим радиус диэлектрической вставки, причем удельное сопротивление материала металлических вставок превышает удельное сопротивление материала основных электродов, а высота вставок больше толщины скин-слоя.

Ближайшим аналогом, принятым за прототип, является малогабаритный сильноточный управляемый вакуумный разрядник /Д.Ф. Алферов, А.К. Дулатов, Б.Д. Лемешко, В.А. Сидоров. Малогабаритный сильноточный вакуумный управляемый разрядник // ПТЭ. 2007. - №3. - С.81-87/. Электродная схема разрядника состоит из двух дисковых соосных электродов. Разряд между катодом и анодом инициируется пробоем по поверхности керамической вставки между катодом и управляющим электродом, на который подается регулируемый высоковольтный импульс. Ток разряда поддерживается конденсатором емкостью С=5 мкФ при напряжении U=20 кВ и длине межэлектродного промежутка d=10 мм. В качестве времени коммутации t_d принят интервал между моментами достижения 0,1 и 0,9 амплитуды токового сигнала. Отмечено, что при превышении скорости нарастания тока разряда порогового значения (dI/dt)_b~10¹⁰ А/с его протекание становилось неустойчивым, так что на осциллограмме тока наблюдаются выбросы. Возникшая неустойчивость отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках разрядника, поскольку появление выбросов на сигнале тока приводит к увеличению времени нарастания импульса тока и, тем самым, возрастает время его коммутации. Путем увеличения тока (энергии) запускающего импульса удается стабилизировать плазменный поток, т.е. уменьшить время коммутации.

Известное устройство для стабилизации плазменного потока имеет существенный недостаток. Большая величина тока (энергии) запускающего импульса, требуемая для стабилизации плазменного потока, приводит к концентрации разрядного тока вблизи узла запуска и большой токовой нагрузке на него, что уменьшает срок службы разрядника.

Известно, что появление выбросов разрядного тока при большой скорости нарастания обусловлено недостатком электронов, которые на стадии движения плазмы в межэлектродном промежутке эмитируются границей расширяющейся катодной плазмы и обеспечивают замыкание разрядного тока в вакуумном зазоре между катодной плазменной струей и анодом. Недостаток электронов приводит к тому, что их объемный заряд перестает экранировать эмиссионную поверхность, и скорость ее расширения замедляется под действием электрического поля, тем самым увеличивая время заполнения плазмой межэлектродного промежутка (т.е. время коммутации тока разряда), при этом потенциал периферийных слоев плазмы резко возрастает /Короп Е.А., Плютто А.А. Ускорение ионов катодного материала при вакуумном пробое // ЖТФ. 1970. Т40. С.2534-2537; Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Рост тока в искре при импульсном пробое коротких вакуумных промежутков // ЖТФ. 1954. Т.34. С.1476-1481/.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства для стабилизации катодного плазменного потока в вакуумном разряде и уменьшения времени коммутации разрядного тока без увеличения тока (энергии) запускающего импульса, путем исключения условий для развития неустойчивости плазменного потока в процессе движения от катода к аноду.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство для стабилизации катодного плазменного потока быстрого импульсного управляемого вакуумного разряда, электродная система которого включает соосные катод, анод и управляющий электрод, в межэлектродный промежуток введен дополнительный изолированный электрод, представляющий собой полый металлический цилиндр, содержащий щель вдоль одной из образующих по всей длине цилиндра и соосный с электродной системой, причем диаметр цилиндра составляет 3-8 диаметров катода, а длина составляет 0.6-0.8 длины межэлектродного промежутка.

Схема устройства представлена на Фиг.1.

Электродная система устройства состоит из катода 1, выполненного в виде стержня диаметром D₁=1 мм. на который подается отрицательное напряжение U=-600 В, заземленного анода 2, управляющего электрода 3, представляющего собой металлическое кольцо, охватывающее керамическую вставку 4, по торцевой поверхности которой происходит высоковольтный пробой, инициирующий основной разряд. Ток разряда поддерживается конденсатором емкостью С=2 мкФ, длина межэлектродного промежутка d=12 мм. В схему введен дополнительный изолированный электрод 5 в виде полого металлического цилиндра длиной 8 мм и диаметром D₂=7 мм, соосный с электродной системой, торцы которого располагаются на равных расстояниях от плоскости катода и анода. Дополнительный электрод 5 имеет щель 6 вдоль одной из образующих по всей длине цилиндра.

Устройство работает следующим образом.

В момент, показанный стрелками на осциллограмме тока на Фиг.2, на управляющий электрод 3 подается высоковольтный импульс, который инициирует между ним и катодом 1 пробой на поверхности керамической вставки 4, вследствие чего генерируется струя предплазмы, которая заряжает дополнительный электрод 5 до потенциала катода (-600 В), что иллюстрирует Фиг.2г. Через 750 нс возникает катодный плазменный поток основного разряда, движущийся от катода к аноду, при этом периферийные области плазмы, касаясь стенок дополнительного электрода 5, принимают его потенциал, равный потенциалу катода. Таким образом происходит выравнивание потенциала вдоль струи. Помимо этого происходит «подпитка» фронта потока электронным током, текущим из заряженного электрода 5, что обеспечивает необходимый ток эмиссии для замыкания вакуумного промежутка между фронтом плазменного потока и анодом, при этом плазма «закорачивает» электрод 5 на анод и его потенциал становится равным потенциалу анода. Следовательно, исключаются возможные причины для развития неустойчивости разряда.

Положительный результат, достигаемый в предложенном устройстве, иллюстрирует Фиг.2, где приведены осциллограммы тока разряда при различных вариантах конструкции электродной системы; стрелками на осциллограммах тока показан момент подачи инициирующего импульса на управляющий электрод 3. На Фиг.2а приведена осциллограмма разрядного тока при исходной конструкции электродной системы, т.е. в отсутствие дополнительного электрода 5. Из осциллограммы видно, что при токе разряда, превышающем, приблизительно 1 кА, возникает неустойчивость, сопровождающаяся появлением выброса на сигнале тока, что приводит к относительно большому времени нарастания, составляющему около 400 нс. При этом амплитуда тока равна 2.7 кА, а его средняя скорость нарастания составляет 7×10⁹ А/с и близка к пороговой скорости развития неустойчивости разряда, обнаруженной в устройстве-прототипе.

На Фиг.2б приведена осциллограмма разрядного тока при введении дополнительного электрода 5 с указанными выше размерами в разрядный промежуток. Как следует из чертежа, это приводит к стабилизации неустойчивости, что выражается в монотонном характере роста разрядного тока, увеличению его максимального значения до 3.5 кА и уменьшению времени нарастания до 200 нс, при этом скорость нарастания тока увеличивается до 1.4×10¹⁰ А/с. В случае использования такого же электрода со щелью вдоль образующей цилиндра по всей длине 6 время нарастания тока еще уменьшается до 170 не, а амплитуда тока возрастает до 4.2 кА (Фиг.2в). Скорость нарастания тока разряда в этом случае достигает 2.8×10¹⁰ А/с.

Были исследованы характеристики разряда в зависимости от размеров дополнительного электрода. Показано, что при исходной длине электрода уменьшение его диаметра до величины менее 3 мм или увеличение свыше 8 мм, положительный эффект, выражающийся в увеличении амплитуды разрядного тока, существенно ослабевает. Аналогичный результат получается при неизменном исходном диаметре электрода и уменьшении длины до значений менее 5 мм. Этот результат иллюстрирует Фиг.2г, где приведена осциллограмма токового сигнала (верхний луч), полученного при длине дополнительного электрода 4 мм и диаметре 7 мм, а также осциллограмма напряжения на дополнительном электроде 5 (нижний луч).

Таким образом, использование дополнительного электрода позволяет без увеличения тока (энергии) инициирующего импульса стабилизировать плазменный поток и получить устойчивый характер протекания тока в межэлектродном промежутке, что обеспечивает существенное уменьшение времени коммутации и увеличение амплитуды разрядного тока при значениях амплитуды и скорости нарастания разрядного тока, существенно превышающих пороговые величины.